National Aeronautics and Space Administration

Science Brief

Earth’ s Energy nierównowaga

by James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha and Karina von Schuckmann —January 2012

w ciągu ostatniej dekady zakończono wdrożenie międzynarodowej sieci pływaków Argo mierzących zawartość ciepła w oceanie do głębokości 2000 m, co pozwoliło na jak dotąd najlepszą ocenę nierównowagi energetycznej ziemi. Zaobserwowany przyrost energii planetarnej podczas ostatniego silnego minimum słonecznego ujawnia, że wymuszanie słoneczne klimatu, chociaż znaczące, jest przytłoczone przez znacznie większe wymuszanie klimatu wykonane przez człowieka. Zmierzona nierównowaga potwierdza, że jeśli inne wymuszenia klimatyczne są stałe, atmosferyczny CO2 musi zostać zredukowany do około 350 ppm lub mniej, aby zatrzymać globalny warming.In Nasz niedawno opublikowany artykuł (Hansen et al., 2011), pokazujemy również, że wymuszanie klimatu przez aerozole wykonane przez człowieka (drobne cząstki w powietrzu) jest większe niż zwykle zakładano, co sugeruje pilną potrzebę dokładnych globalnych pomiarów aerozoli, aby pomóc w interpretacji ciągłych zmian klimatu.

nierównowaga energetyczna Ziemi to różnica między ilością energii słonecznej pochłoniętej przez ziemię a ilością energii, którą planeta wypromieniowuje w Przestrzeń Kosmiczną jako ciepło. Jeśli nierównowaga jest dodatnia, więcej energii przychodzi niż wychodzi, możemy oczekiwać, że ziemia stanie się cieplejsza w przyszłości – ale chłodniejsza, jeśli nierównowaga jest ujemna. Nierównowaga energetyczna ziemi jest zatem najważniejszym miernikiem stanu klimatu Ziemi i określa oczekiwania dotyczące przyszłych zmian klimatu.

nierównowaga energetyczna powstaje w wyniku zmian sił klimatycznych działających na planetę w połączeniu z bezwładnością cieplną planety. Na przykład, jeśli słońce staje się jaśniejsze, jest to pozytywne wymuszenie, które spowoduje ocieplenie. Gdyby ziemia była jak rtęć, ciało złożone z materiału o niskiej przewodności i bez oceanów, Temperatura jej powierzchni szybko wzrosłaby do poziomu, przy którym planeta ponownie wypromieniowałaby do przestrzeni tyle energii cieplnej, co pochłonięta energia słoneczna.

temperatura Ziemi nie dostosowuje się tak szybko jak rtęć ze względu na bezwładność cieplną oceanu, która jest znaczna, ponieważ ocean jest mieszany na znaczne głębokości przez wiatry i konwekcję. Tak więc, aby temperatura powierzchni Ziemi mogła w pełni reagować na wymuszanie klimatu, potrzeba stuleci.

wymuszenia klimatyczne to zakłócenia równowagi energetycznej Ziemi. Naturalne wymuszenia obejmują zmianę jasności Słońca i erupcje wulkaniczne, które osadzają aerozole w stratosferze, a tym samym ochładzają ziemię poprzez odbijanie światła słonecznego z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną. Główne wymuszenia klimatyczne wytwarzane przez człowieka to gazy cieplarniane (głównie CO2), które powodują ocieplenie poprzez zatrzymywanie promieniowania cieplnego Ziemi, oraz aerozole wytwarzane przez człowieka, które, podobnie jak aerozole wulkaniczne, odbijają światło słoneczne i mają efekt chłodzenia.

rozważmy efekt długotrwałego wymuszania klimatu. Powiedzmy, że słońce staje się jaśniejsze, pozostając jaśniejsze przez wiek lub dłużej, lub ludzie zwiększają długowieczne gazy cieplarniane. Albo wymuszanie powoduje więcej energii przychodzącej niż wychodzącej. Gdy planeta ogrzewa się w odpowiedzi na tę nierównowagę, ciepło wypromieniowane przez Ziemię w Przestrzeń Kosmiczną wzrasta. W końcu Ziemia osiągnie globalną temperaturę na tyle ciepłą, aby wypromieniować w Przestrzeń tyle energii, ile otrzymuje od Słońca, stabilizując w ten sposób klimat na nowym poziomie. W każdej chwili podczas tego procesu pozostała planetarna nierównowaga energetyczna pozwala nam oszacować, jak bardzo globalne ocieplenie jest nadal ” w przygotowaniu.”

wiele narodów zaczęło, około dekady temu, rozmieszczać pływaki wokół Oceanu Światowego, które mogłyby” yo-yo ” przyrząd mierzący temperaturę oceanu na głębokość 2 km. Do 2006 roku było około 3000 pływaków pokrywających większość Oceanu Światowego. Pływaki te pozwoliły von Schuckmannowi i Le Traonowi (2011) oszacować, że w okresie 6 lat 2005-2010 górne 2 km Oceanu Światowego zyskiwały energię w tempie 0,41 W/m2 uśrednionym nad planetą.

użyliśmy innych pomiarów, aby oszacować energię wchodzącą do głębszego oceanu, na kontynenty i do topnienia lodu na całym świecie w latach 2005-2010. Znaleźliśmy całkowity brak równowagi energii Ziemi + 0,58±0,15 W/m2 podzielony, jak pokazano na Fig. 1.

rola słońca.Zmierzona dodatnia nierównowaga w latach 2005-2010 jest szczególnie ważna, ponieważ wystąpiła podczas najgłębszego minimum słonecznego w okresie dokładnego monitorowania energii słonecznej (rys. 2). Gdyby słońce było jedynym wymuszeniem klimatycznym lub dominującym wymuszeniem klimatycznym, planeta zyskałaby energię podczas maksimów słonecznych, ale traciła energię podczas minimów słonecznych.

fakt, że Ziemia zyskała energię w tempie 0,58 W/m2 podczas głębokiego, długotrwałego minimum słonecznego, ujawnia, że istnieje silne wymuszenie dodatnie przytłaczające wymuszenie ujemne przez Poniżej średniej natężenia promieniowania słonecznego. Wynik ten nie jest zaskoczeniem, biorąc pod uwagę znajomość innych wymuszeń, ale zapewnia jednoznaczne obalenie twierdzeń, że słońce jest dominującym wymuszeniem klimatycznym.

docelowy CO2.Zmierzona planetarna nierównowaga energetyczna zapewnia natychmiastową dokładną ocenę, ile atmosferycznego CO2 musiałoby zostać zmniejszone, aby przywrócić równowagę energetyczną Ziemi, co jest podstawowym wymogiem dla stabilizacji klimatu. Gdyby inne wymuszenia klimatyczne nie uległy zmianie, zwiększenie promieniowania ziemi do przestrzeni kosmicznej o 0,5 W / m2 wymagałoby zmniejszenia CO2 o ~30 ppm do 360 ppm. Jednak biorąc pod uwagę, że nierównowaga 0,58±0,15 W/m2 została zmierzona podczas głębokiego minimum słonecznego, prawdopodobnie konieczne jest zwiększenie promieniowania do przestrzeni o bliżej 0.75 W / m2, co wymagałoby zmniejszenia CO2 do ~345 ppm, inne wymuszenia pozostają niezmienione. Tak więc nierównowaga energetyczna Ziemi potwierdza wcześniejsze oszacowanie na innych podstawach, że CO2 musi zostać zredukowany do około 350 ppm lub mniej, aby ustabilizować klimat(Hansen et al., 2008).

aerozole.Zmierzona nierównowaga energii planetarnej pozwala nam również oszacować wymuszenie klimatyczne spowodowane przez aerozole atmosferyczne wytwarzane przez człowieka. Jest to ważne, ponieważ uważa się, że wymuszanie aerozolu jest duże, ale praktycznie nie jest mierzone.

wymuszanie przez człowieka gazów cieplarnianych (GHG) wynosi około + 3 W/m2 (rys. 3). Wymuszanie aerozolu wykonane przez człowieka jest ujemne (chłodzenie), ale jego wielkość jest niepewna w szerokim zakresie (rys. 3). Wymuszanie aerozolu jest złożone, ponieważ istnieje kilka rodzajów aerozoli, z niektórymi aerozolami, takimi jak czarna sadza, częściowo absorbującymi padające światło słoneczne, ogrzewając w ten sposób atmosferę. Również aerozole służą jako jądra kondensacji pary wodnej, powodując w ten sposób dodatkowe wymuszanie klimatu aerozolowego przez zmianę właściwości chmur. W rezultacie, zaawansowane globalne pomiary są potrzebne do zdefiniowania wymuszania klimatu aerozolowego, jak omówiono poniżej.

znaczenie znajomości wymuszania aerozolu pokazuje rozważenie następujących dwóch przypadków: (1) wymuszanie aerozolowe około -1 W / m2, takie że wymuszanie klimatyczne netto wynosi ~ 2 W/m2, (2) wymuszanie aerozolowe -2 W/m2, dając wymuszanie netto ~1 W / m2. Oba przypadki są możliwe, ze względu na niepewność w wymuszaniu aerozolu.

która alternatywa jest bliższa prawdzie określa warunki „Faustowskiej umowy”, którą ludzkość sama sobie wyznaczyła. Globalne ocieplenie do tej pory było ograniczone, ponieważ chłodzenie aerozoli częściowo zrównoważyło ocieplenie gazów cieplarnianych. Ale aerozole pozostają w powietrzu tylko kilka dni, więc muszą być pompowane do powietrza szybciej i szybciej, aby dotrzymać kroku rosnącym długowiecznym gazom cieplarnianym (znaczna część CO2 z emisji paliw kopalnych pozostanie w powietrzu przez kilka tysiącleci). Jednak obawy dotyczące skutków zdrowotnych zanieczyszczenia powietrza pyłami mogą prowadzić do ostatecznego zmniejszenia aerozoli wytwarzanych przez człowieka. Wtedy ludzkość otrzyma należną zapłatę za Faustianizm.

Jeśli prawdziwe wymuszanie netto wynosi +2 W/m2 (wymuszanie aerozolu -1 W/m2), nawet duży wysiłek oczyszczania aerozoli, powiedzmy redukcja o połowę, zwiększa wymuszanie netto tylko o 25% (z 2 W/m2 do 2,5 W/m2). Ale jeśli wymuszanie netto wynosi +1 W/m2 (wymuszanie aerozolu -2 W/m2), redukcja aerozoli o połowę podwaja wymuszanie klimatu netto (z 1 W/m2 do 2 W / m2). Biorąc pod uwagę, że globalne efekty klimatyczne są już obserwowane (IPCC, 2007; Hansen et al., 2012), podwojenie wymuszenia klimatycznego sugeruje, że ludzkość może spotkać się z ciężką faustiańską zapłatą.

większość modeli klimatycznych przyczyniających się do ostatniej oceny dokonanej przez Międzyrządowy Zespół ds. zmian klimatu (IPCC, 2007) zastosowała siły aerozolowe w zakresie od -0,5 do -1.1 W / m2 i osiągnęła dobre porozumienie z obserwowanym globalnym ociepleniem w ciągu ostatniego stulecia, co sugeruje, że wymuszanie aerozolu jest tylko umiarkowane. Modele klimatyczne są jednak niejednoznaczne. Większość modeli używanych w IPCC (2007) efektywnie miesza ciepło z Oceanem pośrednim i głębokim, co powoduje potrzebę dużego klimatu zmuszającego (~2 W/m2) do ogrzania powierzchni Ziemi przez obserwowane 0,8°c w ciągu ostatniego stulecia. Ale jeśli ocean miesza ciepło z głębszym oceanem mniej efektywnie, wymuszanie klimatu netto potrzebne do dopasowania obserwowanego globalnego ocieplenia jest mniejsze.

nierównowaga energetyczna ziemi, jeśli zostanie dokładnie zmierzona, stanowi jeden ze sposobów rozwiązania tej niejednoznaczności. Przypadek szybkiego mieszania oceanów i wymuszania małych aerozoli wymaga dużej nierównowagi energii planetarnej, aby uzyskać obserwowane ocieplenie powierzchni. Planetarna nierównowaga energetyczna wymagana do uzyskania obserwowanego ocieplenia dla różnych wyborów aerozolowej głębokości optycznej została pokazana na Fig. 4, w oparciu o uproszczoną reprezentację globalnych symulacji klimatu (Hansen et al., 2011).

zmierzona nierównowaga energii Ziemi, +0,58 W/m2 w latach 2005-2010, sugeruje, że wymuszenie aerozolu wynosi około -1.6 W/m2, czyli większe wymuszenie ujemne niż stosowane w większości modeli IPCC. Omawiamy wiele linii dowodów na to, że większość modeli klimatycznych stosowanych w tych wcześniejszych badaniach miała umiarkowanie nadmierne mieszanie oceanów, co może tłumaczyć fakt, że osiągnęły one dobre dopasowanie do obserwowanej globalnej zmiany temperatury przy mniejszym wymuszaniu aerozolu.

Duże (ujemne) wymuszanie klimatu aerozolowego sprawia, że konieczne jest lepsze zrozumienie aerozoli, które powodują to wymuszanie. Niestety, pierwszy satelita zdolny do pomiaru szczegółowych właściwości fizycznych aerozolu, misja Glory (Mishchenko et al., 2007), doznał awarii startowej. Pilnie należy przeprowadzić misję zastępczą, ponieważ obecny efekt netto zmiany emisji w krajach rozwijających się i rozwiniętych jest wysoce niepewny

Globalne pomiary w celu oceny pośredniego wymuszania klimatu aerozolowego, poprzez oddziaływanie aerozolu na chmury, wymagają jednoczesnych, precyzyjnych pomiarów polarymetrycznych odbitego promieniowania słonecznego i interferometrycznych pomiarów emitowanego promieniowania cieplnego za pomocą dwóch instrumentów jednocześnie patrząc na ten sam obszar. Taka koncepcja misji została zdefiniowana (Hansen et al., 1993), a ostatnie oceny wskazują, że można je osiągnąć kosztem około 100 mln USD, jeśli zostaną przeprowadzone przez sektor prywatny bez wymogu nadmiernych rządowych paneli kontrolnych.

Related Link

NASA News Release:Earth ’ s Energy Budget Remained Out of Balance Despite Unscually Low Solar Activity

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, Nowy Jork.

Hansen J., Mki. Sato, P. Charecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer, and J. C. Zachos,2008: cel atmosferyczny CO2: gdzie ludzkość powinna celować?Otworzyć Atmos. Sci. J., 2, 217-231,doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen J., Mki. Sato, P. Kharecha, and K. von Schuckmann,2011: Earth ’ s energy nierównowaga and implications.Atmos. Chem. 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,last accessed Jan. 06.04.2012-brak danych 10, 2018

Międzyrządowy Zespół ds. zmian klimatu (IPCC), zmiany klimatu 2007: Podstawy nauki fizycznej, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor i H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Press, 996 s.

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.

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:Jak dobrze możemy czerpać globalne wskaźniki oceanu z danych Argo?Ocean Sci., 7, 783-791, doi: 10.5194 / os-7-783-2011.

Uwaga: dokumenty PDF wymagają bezpłatnego programu Adobe Reader lub kompatybilnego oprogramowania do przeglądania.