National Aeronautics and Space Administration

Wetenschap Slips

Aarde-Energie Onbalans

Door James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha en Karina von Schuckmann —januari 2012

Implementatie van een internationale reeks van Argo floats, het meten van de ocean heat content tot op een diepte van 2000 meter, werd voltooid in de loop van het afgelopen decennium, zodat de beste beoordeling zo ver van de Aarde de energie-onbalans. De waargenomen planetaire energiewinst tijdens het recente sterke Solar minimum onthult dat de solar forcing van het klimaat, hoewel significant, wordt overweldigd door een veel grotere netto menselijke klimaat forcing. De gemeten onbalans bevestigt dat, als andere klimaatforcings worden gefixeerd, de atmosferische CO2 moet worden verminderd tot ongeveer 350 ppm of minder om wereldwijd te stoppen warming.In onze onlangs gepubliceerde paper (Hansen et al., 2011), Laten we ook zien dat klimaatforcering door door de mens gemaakte aërosolen (fijne deeltjes in de lucht) groter is dan gewoonlijk wordt aangenomen, wat impliceert dat er dringend behoefte is aan nauwkeurige wereldwijde aërosolmetingen om de voortdurende klimaatverandering te helpen interpreteren.

de energiebalans van de aarde is het verschil tussen de hoeveelheid zonne-energie die door de Aarde wordt geabsorbeerd en de hoeveelheid energie die de planeet als warmte naar de ruimte uitstraalt. Als de onbalans positief is en er meer energie binnenkomt dan uitgaat, kunnen we verwachten dat de aarde in de toekomst warmer wordt — maar koeler als de onbalans negatief is. De energieonbalans van de aarde is dus de meest cruciale maatstaf voor de status van het klimaat op aarde en het definieert verwachtingen voor toekomstige klimaatverandering.

energieonbalans ontstaat door veranderingen van de klimaatfactoren die op de planeet werken in combinatie met de thermische traagheid van de planeet. Bijvoorbeeld, als de zon feller wordt, dat is een positieve kracht die zal leiden tot opwarming. Als de aarde als Mercurius zou zijn, een lichaam dat bestaat uit materiaal met een lage geleidbaarheid en zonder oceanen, zou de oppervlaktetemperatuur snel stijgen tot een niveau waarop de planeet weer evenveel warmte-energie naar de ruimte uitstraalt als de geabsorbeerde zonne-energie.

De temperatuur van de aarde past zich niet zo snel aan als die van Mercurius vanwege de thermische traagheid van de oceaan, die aanzienlijk is omdat de oceaan door winden en convectie tot aanzienlijke diepten wordt gemengd. Dus het vereist eeuwen voor de temperatuur van het aardoppervlak om volledig te reageren op een klimaat forcing.

klimaatveranderingen worden veroorzaakt verstoringen van de energiebalans van de aarde. Natuurlijke forcings omvatten verandering van de helderheid van de zon en vulkaanuitbarstingen die aërosolen deponeren in de stratosfeer, waardoor de aarde afkoelt door zonlicht terug te reflecteren naar de ruimte. De belangrijkste door de mens veroorzaakte klimaatfactoren zijn broeikasgassen (voornamelijk CO2), die opwarming veroorzaken doordat de warmtestraling van de Aarde wordt opgevangen, en door de mens gemaakte aerosolen, die, net als vulkanische aerosolen, zonlicht reflecteren en een verkoelend effect hebben.

laten we eens kijken naar het effect van een langlevende klimaatforcering. Stel dat de zon helderder wordt, een eeuw of langer helderder blijft, of mensen verhogen broeikasgassen met een lange levensduur. Ofwel dwingen resulteert in meer energie komen in dan uitgaan. Naarmate de planeet opwarmt als reactie op deze onbalans, neemt de warmte die door de aarde naar de ruimte wordt uitgestraald toe. Uiteindelijk zal de aarde een globale temperatuur bereiken die warm genoeg is om evenveel energie naar de ruimte uit te stralen als ze van de zon ontvangt, waardoor het klimaat op het nieuwe niveau wordt gestabiliseerd. Op elk moment tijdens dit proces stelt de resterende planetaire energie onbalans ons in staat om in te schatten hoeveel de opwarming van de aarde nog steeds “in de pijplijn zit.”

vele landen begonnen, ongeveer tien jaar geleden, met het inzetten van drijvers rond de wereld oceaan die een” yo-yo ” instrument kon meten oceaantemperatuur tot een diepte van 2 km. In 2006 waren er ongeveer 3000 drijvers die het grootste deel van de wereldzee besloegen. Met deze drijvers konden von Schuckmann en Le Traon (2011) schatten dat in de 6-jarige periode 2005-2010 de bovenste 2 km van de wereld oceaan energie opnam met een gemiddelde snelheid van 0,41 W/m2 over de planeet.

we hebben andere metingen gebruikt om de energie te schatten die in de diepere Oceaan, in de continenten, en in het smelten van ijs wereldwijd in de periode 2005-2010. We vonden een totale aarde energie onbalans van + 0,58±0,15 W / m2 verdeeld zoals weergegeven in Fig. 1.

de rol van de zon.De gemeten positieve onbalans in 2005-2010 is vooral belangrijk omdat deze zich voordeed tijdens het diepste zonneminimum in de periode van nauwkeurige zonnemonitoring (Fig. 2). Als de zon de enige klimaat forceert of de dominante klimaat forceert, dan zou de planeet energie winnen tijdens de zonnemaxima, maar energie verliezen tijdens de zonminima.

het feit dat de Aarde energie kreeg met een snelheid van 0,58 W/m2 tijdens een diep verlengd minimum van de zon laat zien dat er een sterke positieve forcering is die de negatieve forcering overweldigt door onder de gemiddelde zonnestraling. Dat resultaat is geen verrassing, gezien de kennis van andere forcings, maar het biedt ondubbelzinnige weerlegging van beweringen dat de zon is de dominante klimaat dwingen.

doel CO2.De gemeten planetaire energie onbalans biedt een onmiddellijke nauwkeurige beoordeling van hoeveel atmosferische CO2 zou moeten worden verminderd om de energiebalans van de aarde te herstellen, wat de basisvereiste is voor het stabiliseren van het klimaat. Als andere klimaatforcings ongewijzigd zouden blijven, zou het verhogen van de straling van de aarde naar de ruimte met 0,5 W/m2 een vermindering van CO2 met ~30 ppm tot 360 ppm vereisen. Gezien het feit dat de onbalans van 0,58±0,15 W/m2 werd gemeten tijdens een diep zonnenminimum, is het waarschijnlijk noodzakelijk om de straling naar de ruimte met dichter bij 0 te verhogen.75 W / m2, hetgeen een vermindering van de CO2-uitstoot tot ~345 ppm vereist, waarbij de overige forcings ongewijzigd blijven. De energieonbalans van de aarde bevestigt dus een eerdere schatting om andere redenen dat CO2 moet worden teruggebracht tot ongeveer 350 ppm of minder om het klimaat te stabiliseren (Hansen et al., 2008).

aerosolen.De gemeten planetaire energie onbalans stelt ons ook in staat om de klimaat forcering veroorzaakt door door de mens gemaakte atmosferische aërosolen te schatten. Dit is belangrijk omdat de aërosol forcing wordt verondersteld groot te zijn, maar het is praktisch niet gemeten.

het forceren van door de mens gemaakte broeikasgassen (BKG) is bekend om ongeveer +3 W/m2 (Fig. 3). De netto door de mens gemaakte aërosolforcering is negatief (koeling), maar de omvang ervan is onzeker binnen een breed bereik (Fig. 3). De aërosolforcering is complex omdat er verschillende aërosolsoorten zijn, waarbij sommige aërosolen, zoals zwart roet, het invallende zonlicht gedeeltelijk absorberen, waardoor de atmosfeer wordt verwarmd. Ook aërosolen dienen als condensatiekernen voor waterdamp, waardoor extra aërosolklimaat forceert door wolkeneigenschappen te veranderen. Als gevolg hiervan zijn geavanceerde globale metingen nodig om de aerosol klimaatforcering te definiëren, zoals hieronder wordt besproken.

het belang van het kennen van de aërosolforcering wordt aangetoond door de volgende twee gevallen in overweging te nemen.: (1) aerosol forcering ongeveer -1 W/m2, zodat de netto klimaat forcering ~ 2 W/m2 is, (2) aerosol forcering van -2 W/m2, wat een netto forcering ~1 W/m2 oplevert. Beide gevallen zijn mogelijk, vanwege de onzekerheid in de aërosol forcing.

welk alternatief dichter bij de waarheid staat, definieert de termen van een “faustiaans koopje” dat de mensheid zichzelf heeft gesteld. De opwarming van de aarde is tot nu toe beperkt gebleven, omdat de aërosolkoeling de opwarming van de broeikasgassen gedeeltelijk heeft gecompenseerd. Maar aerosols blijven maar enkele dagen in de lucht, dus moeten ze sneller en sneller in de lucht worden gepompt om gelijke tred te houden met de toenemende broeikasgassen met een lange levensduur (een groot deel van de CO2 uit de uitstoot van fossiele brandstoffen zal gedurende enkele millennia in de lucht blijven). Bezorgdheid over de gevolgen van luchtverontreiniging door deeltjes voor de gezondheid zal echter waarschijnlijk leiden tot een uiteindelijke vermindering van door de mens gemaakte aerosolen. Daarop zal de betaling van de mensheid Faustiaanse verschuldigd zijn.

als de werkelijke netto forcering +2 W/m2 is (aerosol forcing -1 W/m2), verhoogt zelfs een grote inspanning om aerosolen te reinigen, bijvoorbeeld vermindering met de helft, de netto forcing slechts 25% (van 2 W/m2 tot 2,5 W/m2). Maar als de netto forcering +1 W/m2 is (aerosol forcing -2 W/m2), verdubbelt de reductie van aerosolen met de helft de netto klimaat forcing (van 1 W/m2 tot 2 W/m2). Gezien het feit dat wereldwijde klimaateffecten al worden waargenomen (IPCC, 2007; Hansen et al ., 2012), een verdubbeling van de klimaatforcering suggereert dat de mensheid een pijnlijke faustiaanse betaling kan ondergaan.

De meeste klimaatmodellen die bijdragen aan de laatste beoordeling door het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007) gebruikten aerosolforcings in het bereik -0,5 tot -1.1 W / m2 en bereikte een goede overeenkomst met de waargenomen opwarming van de aarde in de afgelopen eeuw, wat suggereert dat de aërosolforcering slechts matig is. Er is echter een dubbelzinnigheid in de klimaatmodellen. De meeste modellen die in IPCC (2007) worden gebruikt, mengen warmte efficiënt in de Midden-en diepe oceaan, wat resulteert in de behoefte aan een groot klimaat Dat (~2 W/m2) het aardoppervlak opwarmt door de waargenomen 0,8°C in de afgelopen eeuw. Maar als de oceaan warmte minder efficiënt mengt in de diepere Oceaan, is het netto klimaat dat nodig is om de waargenomen opwarming van de aarde te evenaren kleiner.

De energieonbalans van de aarde, indien nauwkeurig gemeten, biedt een manier om deze dubbelzinnigheid op te lossen. Het geval met snelle oceaanmenging en kleine aërosolforcering vereist een grote planetaire energieonbalans om de waargenomen oppervlakteopwarming op te wekken. De onbalans van de planetaire energie die nodig is om de waargenomen opwarming voor verschillende keuzes van aerosol optische diepte op te wekken, wordt weergegeven in Fig. 4, gebaseerd op een vereenvoudigde weergave van wereldwijde klimaatsimulaties (Hansen et al., 2011).

gemeten aardenergieonbalans, + 0,58 W / m2 gedurende 2005-2010, betekent dat de aërosolforcering ongeveer -1 bedraagt.6 W / m2, een grotere negatieve forcering dan gebruikt in de meeste IPCC-modellen. We bespreken meerdere aanwijzingen dat de meeste klimaatmodellen die in deze eerdere studies werden gebruikt matig excessief oceaanmengsel hadden, wat kan verklaren dat ze een goede pasvorm bereikten voor waargenomen wereldwijde temperatuurverandering met een kleinere aërosolforcering.

De grote (negatieve) aerosol klimaat forcering maakt het noodzakelijk dat we een beter begrip krijgen van de aerosolen die deze forcering veroorzaken. Helaas, de eerste satelliet in staat om gedetailleerde aerosol fysische eigenschappen te meten, de glorie missie (Mishchenko et al., 2007), kreeg een lanceerfout. Het is dringend noodzakelijk dat een vervangende missie wordt uitgevoerd, aangezien het huidige netto-effect van de veranderende emissies in ontwikkelingslanden en ontwikkelde landen zeer onzeker is

globale metingen om de indirecte klimaatforcering van aërosols via aërosoleffecten op wolken te beoordelen, vereisen gelijktijdige zeer nauwkeurige polarimetrische metingen van gereflecteerde zonnestraling en interferometrische metingen van uitgestraalde warmtestraling met de twee instrumenten die tegelijkertijd naar hetzelfde gebied kijken. Een dergelijk missieconcept is gedefinieerd (Hansen et al., 1993) en recente herbeoordelingen geven aan dat het zou kunnen worden bereikt tegen een kostprijs van ongeveer $100 miljoen als het door de particuliere sector wordt uitgevoerd zonder dat er onnodige toetsingspanels van de overheid vereist zijn.

gerelateerde Link

NASA News Release: Earth ‘ s Energy Budget bleef uit balans ondanks ongewoon lage zonneactiviteit

Hansen, J., W. Rossow, and I. Fung (Eds.), 1993: Long-term Monitoring of Global Climate Forcings and Feedbacks, NASA Conf. Publ. 3234, Goddard Institute for Space Studies, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer, and J. C. Zachos, 2008: Target atmospheric CO2: Where should humanity aim?Open Atmos. Sci. J., 2, 217-231, doi: 10.2174 / 1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, and K. von Schuckmann, 2011: Earth ‘ s energy onbalans and implications.Atmos. Scheikunde. Phys., 11,13421-13449, doi: 10.5194 / acp-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato, and R. Ruedy, 2012: Perceptions of climate change: The new climate dice, URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf, laatst benaderd Jan. 6, 2012 – niet beschikbaar Apr. 10, 2018

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC),Climate Change 2007: the Physical Science Basis,S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor en H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Press, 996 pp.Mishchenko, M. I., B. Cairns, G. Kopp, C. F. Schueler, B. A. Fafaul, J. E. Hansen, R. J. Hooker, T. Itchkawich, H. B. Maring, and L. D. Travis, 2007: Accurate monitoring of terrestrial aerosols and total solar irradiance: Introducing The Glory mission.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88, 677-691, doi: 10.1175 / BAMS-88-5-677.

Purkey, S. G., en G. C. Johnson, 2010: Warming of global abyssal and deep southern ocean between the 1990s and 2000s: contributions to global heat and sea level rise budgets,J. Climate, 23, 6336-6351, doi: 10.1175 / 2010JCLI3682. 1.

Von Schuckmann, K., and P.-Y. Le Traon, 2011: How well can we derive global ocean indicators from Argo data?Ocean Sci., 7,783-791, doi: 10.5194 / os-7-783-2011.

opmerking: PDF-documenten vereisen dat de gratis Adobe Reader of compatibele weergavesoftware wordt bekeken.