Administrația Națională Aeronautică și Spațială

Science brief

dezechilibrul energetic al Pământului

de James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha și Karina von Schuckmann —ianuarie 2012

desfășurarea unei game internaționale de flotoare Argo, măsurând conținutul de căldură oceanică la o adâncime de 2000 m, a fost finalizată în ultimul deceniu, permițând cea mai bună evaluare departe de dezechilibrul energetic al pământului. Câștigul de energie planetară observat în timpul minimului solar puternic recent arată că forțarea solară a climei, deși semnificativă, este copleșită de o forțare climatică netă mult mai mare creată de om. Dezechilibrul măsurat confirmă faptul că, dacă alte forțe climatice sunt fixe, CO2 atmosferic trebuie redus la aproximativ 350 ppm sau mai puțin pentru a opri global warming.In lucrarea noastră recent publicată (Hansen și colab., 2011), arătăm, de asemenea, că forțarea climatică de aerosoli produși de om (particule fine în aer) este mai mare decât se presupune de obicei, ceea ce implică o nevoie urgentă de măsurători globale precise ale aerosolilor pentru a ajuta la interpretarea schimbărilor climatice continue.

dezechilibrul energetic al Pământului este diferența dintre cantitatea de energie solară absorbită de pământ și cantitatea de energie pe care planeta o radiază în spațiu sub formă de căldură. Dacă dezechilibrul este pozitiv, mai multă energie intră decât iese, ne putem aștepta ca pământul să devină mai cald în viitor — dar mai rece dacă dezechilibrul este negativ. Dezechilibrul energetic al Pământului este, prin urmare, cea mai importantă măsură a stării climatului Pământului și definește așteptările pentru schimbările climatice viitoare.

dezechilibrul energetic apare din cauza schimbărilor forțelor climatice care acționează asupra planetei în combinație cu inerția termică a planetei. De exemplu, dacă soarele devine mai strălucitor, aceasta este o forțare pozitivă care va provoca încălzirea. Dacă Pământul ar fi ca Mercur, un corp compus din material cu conductivitate scăzută și fără oceane, temperatura suprafeței sale ar crește rapid la un nivel la care planeta radia din nou la fel de multă energie termică în spațiu ca energia solară absorbită.temperatura Pământului nu se ajustează la fel de repede ca cea a lui Mercur din cauza inerției termice a oceanului, care este substanțială deoarece oceanul este amestecat la adâncimi considerabile de vânturi și convecție. Astfel, este nevoie de secole pentru ca temperatura suprafeței pământului să răspundă pe deplin la o forțare climatică.

forțele climatice sunt perturbații impuse echilibrului energetic al Pământului. Forțele naturale includ schimbarea luminozității soarelui și erupțiile vulcanice care depozitează aerosoli în stratosferă, răcind astfel pământul reflectând lumina soarelui înapoi în spațiu. Principalele forțe climatice produse de om sunt gazele cu efect de seră (în principal CO2), care provoacă încălzirea prin captarea radiațiilor de căldură ale Pământului și aerosolii produși de om, care, la fel ca aerosolii vulcanici, reflectă lumina soarelui și au un efect de răcire.să luăm în considerare efectul unei forțări climatice de lungă durată. Spuneți că soarele devine mai strălucitor, rămânând mai luminos timp de un secol sau mai mult, sau oamenii cresc gazele cu efect de seră cu durată lungă de viață. Fie forțarea are ca rezultat mai multă energie decât ieșirea. Pe măsură ce planeta se încălzește ca răspuns la acest dezechilibru, căldura radiată în spațiu de pământ crește. În cele din urmă, Pământul va atinge o temperatură globală suficient de caldă pentru a radia în spațiu atât de multă energie pe cât primește de la soare, stabilizând astfel clima la noul nivel. În orice moment în timpul acestui proces, dezechilibrul energetic planetar rămas ne permite să estimăm cât de multă încălzire globală este încă „în conductă”.”

multe națiuni au început, în urmă cu aproximativ un deceniu, să desfășoare flotoare în jurul oceanului mondial care ar putea „yo-yo” un instrument care măsoară temperatura oceanului la o adâncime de 2 km. Până în 2006 existau aproximativ 3000 de flotoare care acopereau cea mai mare parte a Oceanului Mondial. Aceste flotoare au permis lui von Schuckmann și Le Traon (2011) să estimeze că în perioada de 6 ani 2005-2010 cei 2 km superiori ai oceanului mondial au câștigat energie la o rată de 0,41 W/m2 medie pe planetă.

am folosit alte măsurători pentru a estima energia care intră în Oceanul mai adânc, în continente și în topirea gheții la nivel mondial în perioada 2005-2010. S-a constatat un dezechilibru total al energiei pământului de +0,58 0,15 W/m2, împărțit așa cum se arată în Fig. 1.

rolul Soarelui.Dezechilibrul pozitiv măsurat în perioada 2005-2010 este deosebit de important deoarece a avut loc în timpul celui mai profund minim solar în perioada de monitorizare solară precisă (Fig. 2). Dacă soarele ar fi singura forță climatică sau forța climatică dominantă, atunci planeta ar câștiga energie în timpul maximelor solare, dar ar pierde energie în timpul minimelor solare.

faptul că Pământul a câștigat energie la o rată de 0,58 W/m2 în timpul unui minim solar profund prelungit dezvăluie că există o forță pozitivă puternică care copleșește forța negativă prin iradiere solară sub medie. Acest rezultat nu este o surpriză, având în vedere cunoașterea altor forțe, dar oferă o respingere fără echivoc a afirmațiilor că Soarele este forța climatică dominantă.

țintă CO2.Dezechilibrul energetic planetar măsurat oferă o evaluare imediată exactă a cantității de CO2 atmosferic care ar trebui redusă pentru a restabili echilibrul energetic al Pământului, care este cerința de bază pentru stabilizarea climei. Dacă alte forțe climatice ar fi neschimbate, creșterea radiației Pământului în spațiu cu 0,5 W/m2 ar necesita reducerea CO2 cu ~30 ppm la 360 ppm. Cu toate acestea, având în vedere că dezechilibrul de 0,58 0,15 W/m2 a fost măsurat în timpul unui minim solar profund, este probabil necesar să se mărească radiația în spațiu cu mai aproape de 0.75 W / m2, ceea ce ar necesita reducerea CO2 la ~345 ppm, alte forțe rămânând neschimbate. Astfel, dezechilibrul energetic al Pământului confirmă o estimare anterioară pe alte motive că CO2 trebuie redus la aproximativ 350 ppm sau mai puțin pentru a stabiliza clima (Hansen și colab., 2008).

aerosoli.Dezechilibrul energetic planetar măsurat ne permite, de asemenea, să estimăm forțarea climatică cauzată de aerosolii atmosferici produși de om. Acest lucru este important deoarece se crede că forțarea aerosolului este mare, dar este practic nemăsurată.

forțarea gazelor cu efect de seră (GES) produsă de om este cunoscută a fi de aproximativ +3 W/m2 (Fig. 3). Forța netă de aerosoli produsă de om este negativă (răcire), dar magnitudinea sa este incertă într-un interval larg (Fig. 3). Forțarea aerosolului este complexă deoarece există mai multe tipuri de aerosoli, cu unele aerosoli, cum ar fi funinginea neagră, absorbind parțial lumina soarelui incidentă, încălzind astfel atmosfera. De asemenea, aerosolii servesc ca nuclee de condensare pentru vaporii de apă, provocând astfel forțarea suplimentară a climatului de aerosoli prin Modificarea proprietăților norilor. Ca urmare, sunt necesare măsurători globale sofisticate pentru a defini forțarea climatului de aerosoli, așa cum se discută mai jos.

importanța cunoașterii forțării aerosolului este demonstrată prin luarea în considerare a următoarelor două cazuri: (1) aerosol forțând aproximativ -1 W/m2, astfel încât forța climatică netă este ~ 2 W/m2, (2) aerosol forțând de -2 W/m2, rezultând o forță netă ~1 W/m2. Ambele cazuri sunt posibile, din cauza incertitudinii în forțarea aerosolului.

care alternativă este mai aproape de adevăr definește termenii unei „înțelegeri Faustiene” pe care umanitatea și-a stabilit-o. Încălzirea globală până în prezent a fost limitată, deoarece răcirea cu aerosoli a compensat parțial încălzirea gazelor cu efect de seră. Dar aerosolii rămân în aer doar câteva zile, deci trebuie pompați în aer mai repede și mai repede pentru a ține pasul cu creșterea gazelor cu efect de seră cu durată lungă de viață (o mare parte din CO2 din emisiile de combustibili fosili vor rămâne în aer timp de câteva milenii). Cu toate acestea, îngrijorarea cu privire la efectele asupra sănătății ale poluării aerului cu particule poate duce la o eventuală reducere a aerosolilor produși de om. În consecință, plata faustiană a umanității va fi datorată.

dacă forța netă reală este de +2 W/m2 (forțarea aerosolului -1 W/m2), chiar și un efort major de curățare a aerosolilor, să zicem reducerea la jumătate, crește forța netă doar cu 25% (de la 2 W/m2 la 2,5 W/m2). Dar dacă forțarea netă este de + 1 W/m2 (forțarea aerosolului -2 W/m2), reducerea aerosolilor la jumătate dublează forțarea climatică netă (de la 1 W/m2 la 2 W / m2). Având în vedere că efectele climatice globale sunt deja observate (IPCC, 2007; Hansen și colab.,2012), dublarea forțării climatice sugerează că omenirea se poate confrunta cu o plată faustiană gravă.

majoritatea modelelor climatice care contribuie la ultima evaluare de către Grupul interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC, 2007) au folosit forțe de aerosoli în intervalul -0,5 până la -1.1 W / m2 și a obținut un acord bun cu încălzirea globală observată în secolul trecut, sugerând că forțarea aerosolului este doar moderată. Cu toate acestea, există o ambiguitate în modelele climatice. Majoritatea modelelor utilizate în IPCC (2007) amestecă eficient căldura în Oceanul intermediar și adânc, rezultând necesitatea unui climat mare forțând (~2 W/m2) să încălzească suprafața Pământului cu 0,8 centimetrii observați în secolul trecut. Dar dacă Oceanul amestecă căldura în Oceanul mai adânc mai puțin eficient, forța climatică netă necesară pentru a se potrivi cu încălzirea globală observată este mai mică.

dezechilibrul energetic al pământului, dacă este măsurat cu exactitate, oferă o modalitate de a rezolva această ambiguitate. Cazul cu amestecarea rapidă a oceanului și forțarea mică a aerosolilor necesită un dezechilibru energetic Planetar Mare pentru a produce încălzirea suprafeței observate. Dezechilibrul energetic planetar necesar pentru a produce încălzirea observată pentru diferite opțiuni de adâncime optică a aerosolului este prezentat în Fig. 4, pe baza unei reprezentări simplificate a simulărilor climatice globale (Hansen și colab., 2011).

dezechilibrul energetic măsurat al Pământului, +0,58 W / m2 în perioada 2005-2010, implică faptul că forțarea aerosolului este de aproximativ -1.6 W / m2, o forțare negativă mai mare decât cea utilizată în majoritatea modelelor IPCC. Discutăm mai multe linii de dovezi că majoritatea modelelor climatice utilizate în aceste studii anterioare au avut o amestecare moderată excesivă a oceanelor, ceea ce ar putea explica faptul că au obținut o potrivire bună la schimbările de temperatură globale observate cu o forțare mai mică a aerosolilor.

forțarea climatului de aerosoli mare (negativ) face imperativ să obținem o mai bună înțelegere a aerosolilor care provoacă această forțare. Din păcate, primul satelit capabil să măsoare proprietățile fizice detaliate de aerosoli, Misiunea Glory (Mishchenko și colab., 2007), a suferit un eșec de lansare. Este urgent să se efectueze o misiune de înlocuire, deoarece efectul net actual al schimbării emisiilor în țările în curs de dezvoltare și în țările dezvoltate este extrem de incert

măsurătorile globale pentru a evalua forțarea climatică indirectă a aerosolului, prin efectele aerosolului asupra norilor, necesită măsurători polarimetrice simultane de înaltă precizie ale radiației solare reflectate și măsurători interferometrice ale radiației termice emise, cele două instrumente privind aceeași zonă în același timp. Un astfel de concept de misiune a fost definit (Hansen și colab., 1993) și recentele reevaluări indică faptul că ar putea fi realizat la un cost de aproximativ 100 mn USD dacă este efectuat de sectorul privat fără a fi necesară o comisie de revizuire guvernamentală nejustificată.

link înrudit

comunicat de presă NASA:bugetul energetic al Pământului a rămas dezechilibrat în ciuda activității solare neobișnuit de scăzute

Hansen, J., W. Rossow și I. Fung (Eds.), 1993:monitorizarea pe termen lung a forțelor și feedback-urilor climatice globale,conf.NASA. Publ. 3234, Institutul Goddard pentru Studii Spațiale, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer și J. C. Zachos, 2008:ținta CO2 atmosferic: unde ar trebui să urmărească omenirea?Deschide Atmos. Sci. J., 2,217-231, doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha și K. von Schuckmann, 2011: dezechilibrul și implicațiile energetice ale Pământului.Atmos. Chem. Fizică., 11, 13421-13449, doi: 10.5194 / acp-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato, și R. Ruedy, 2012:percepțiile schimbărilor climatice: noile zaruri climatice ,URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf,ultima accesare Jan. 6, 2012-nu este disponibil Aprilie. 10,2018

Grupul interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC), schimbările climatice 2007: baza științei fizice, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. marchiz, K. B. Averyt, M. Tignor și H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Presă, 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 și L. D. Travis, 2007:monitorizarea exactă a aerosolilor terestre și a iradierii solare totale: introducerea Misiunii Glory.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88, 677-691, doi: 10.1175 / BAM-88-5-677.

Purkey, S. G. și G. C. Johnson, 2010: încălzirea abisului global și a oceanului sudic adânc între anii 1990 și 2000:contribuții la bugetele globale de creștere a căldurii și a nivelului mării,J. Climate, 23, 6336-6351,doi: 10.1175/2010jcli3682.1.

Von Schuckmann, K. și P.-Y. le Traon, 2011: cât de bine putem obține indicatorii oceanici globali din datele Argo?Ocean Sci., 7, 783-791, doi: 10.5194 / os-7-783-2011.

notă:documentele PDF necesită vizualizarea gratuită a Adobe Reader sau a software-ului de vizualizare compatibil.