National Aeronautics and Space Administration

Science Briefs

jordens energiobalans

av James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha och Karina von Schuckmann —januari 2012

utplacering av ett internationellt utbud av Argo floats, som mäter havsvärmeinnehåll till ett djup av 2000 m, slutfördes under det senaste decenniet, vilket möjliggör den bästa bedömningen så långt från jordens energibalans. Den observerade planetenergivinsten under det senaste starka solminimumet avslöjar att solens tvingande klimat, även om det är betydande, är överväldigat av en mycket större netto mänsklig gjord klimattvingning. Den uppmätta obalansen bekräftar att om andra klimatkrafter är fasta måste atmosfärisk CO2 minskas till cirka 350 ppm eller mindre för att stoppa global warming.In vårt nyligen publicerade papper (Hansen et al., 2011) visar vi också att klimattvingning av mänskliga aerosoler (fina partiklar i luften) är större än vad som vanligtvis antas, vilket innebär ett brådskande behov av exakta globala aerosolmätningar för att tolka fortsatta klimatförändringar.

jordens energibalans är skillnaden mellan mängden solenergi som absorberas av jorden och mängden energi som planeten strålar ut i rymden som värme. Om obalansen är positiv, mer energi kommer in än att gå ut, kan vi förvänta oss att jorden blir varmare i framtiden-men kallare om obalansen är negativ. Jordens energiobalans är således det enskilt viktigaste måttet på jordens klimatstatus och det definierar förväntningar på framtida klimatförändringar.

energiobalans uppstår på grund av förändringar av klimatkrafterna som verkar på planeten i kombination med planetens termiska tröghet. Till exempel, om solen blir ljusare, är det en positiv kraft som kommer att orsaka uppvärmning. Om jorden var som kvicksilver, en kropp som består av material med låg ledningsförmåga och utan hav, skulle dess yttemperatur stiga snabbt till en nivå där planeten igen utstrålade lika mycket värmeenergi till rymden som den absorberade solenergin.jordens temperatur justeras inte lika snabbt som Merkurius på grund av havets termiska tröghet, vilket är väsentligt eftersom havet blandas till betydande djup av vindar och konvektion. Således kräver det århundraden för jordens yttemperatur att reagera fullt ut på ett klimattvingande.

Klimatförstörelser införs störningar i jordens energibalans. Naturliga forcings inkluderar förändring av solens ljusstyrka och vulkanutbrott som deponerar aerosoler i stratosfären, vilket kyler jorden genom att reflektera solljus tillbaka till rymden. Huvudmänskligt klimat forcingsär växthusgaser (främst CO2), som orsakar uppvärmning genom att fånga jordens värmestrålning och mänskliga aerosoler, som, som vulkaniska aerosoler, reflekterar solljus och har en kylningseffekt.

låt oss överväga effekten av ett långlivat klimattvingande. Säg att solen blir ljusare, stannar ljusare i ett sekel eller längre, eller människor ökar långlivade växthusgaser. Antingen tvingar resulterar i mer energi som kommer in än att gå ut. När planeten värms som svar på denna obalans ökar värmen som utstrålas till rymden av jorden. Så småningom kommer jorden att nå en global temperatur som är tillräckligt varm för att stråla ut till rymden så mycket energi som den tar emot från solen, vilket stabiliserar klimatet på den nya nivån. När som helst under denna process tillåter den återstående planetenergiobalansen oss att uppskatta hur mycket global uppvärmning fortfarande är ”i rörledningen.”

många nationer började för ungefär ett decennium sedan att distribuera flottor runt världshavet som kunde ”yo-yo” ett instrument som mäter havstemperaturen till ett djup av 2 km. År 2006 fanns det cirka 3000 flottor som täckte större delen av världshavet. Dessa flottor gjorde det möjligt för von Schuckmann och Le Traon (2011) att uppskatta att under 6-årsperioden 2005-2010 fick de övre 2 km av världshavet energi med en hastighet 0, 41 W/m2 i genomsnitt över planeten.

Vi använde andra mätningar för att uppskatta energin som går in i det djupare havet, i kontinenterna och i smältning av IS över hela världen under perioden 2005-2010. Vi hittade en total jordenergiobalans på +0,58 2,15 W / m2, uppdelad som visas i Fig. 1.

solens Roll.Den uppmätta positiva obalansen 2005-2010 är särskilt viktig eftersom den inträffade under det djupaste solminimumet under perioden med exakt solövervakning (Fig. 2). Om solen var det enda klimatet som tvingar eller det dominerande klimatet tvingar, skulle planeten få energi under solar maxima, men förlora energi under solar minima.

det faktum att jorden fick energi med en hastighet 0.58 W/m2 under ett djupt långvarigt solminimum avslöjar att det finns en stark positiv tvingning som överväldigar den negativa tvingningen av solstrålning under genomsnittet. Det resultatet är inte en överraskning, med tanke på kunskap om andra forcings, men det ger otvetydig motbevisning av påståenden om att solen är det dominerande klimatet.

mål CO2.Den uppmätta planetenergiobalansen ger en omedelbar noggrann bedömning av hur mycket atmosfärisk CO2 skulle behöva minskas för att återställa jordens energibalans, vilket är det grundläggande kravet för att stabilisera klimatet. Om andra klimatförband var oförändrade, skulle en ökning av jordens strålning till rymden med 0,5 W/m2 kräva att CO2 minskas med ~30 ppm till 360 ppm. Men med tanke på att obalansen på 0,58 0,15 W/m2 0,15 xnumx W / m2 mättes under ett djupt solminimum, är det förmodligen nödvändigt att öka strålningen till rymden närmare 0.75 W / m2, vilket skulle kräva minskning av CO2 till ~345 ppm, andra forcings är oförändrade. Således bekräftar jordens energiobalans en tidigare uppskattning av andra skäl att CO2 måste minskas till cirka 350 ppm eller mindre för att stabilisera klimatet (Hansen et al., 2008).

aerosoler.Den uppmätta planetenergiobalansen gör det också möjligt för oss att uppskatta klimattvingningen orsakad av mänskliga atmosfäriska aerosoler. Detta är viktigt eftersom aerosoltvättningen tros vara stor, men den är praktiskt taget omöjlig.

den mänskliga växthusgasen (GHG) tvingar är känd för att vara ca +3 W/m2 (Fig. 3). Den mänskliga aerosoltvingningen är negativ (kylning), men dess storlek är osäker inom ett brett område (Fig. 3). Aerosoltvättningen är komplex eftersom det finns flera aerosoltyper, med vissa aerosoler, såsom svart sot, som delvis absorberar infallande solljus och därmed värmer upp atmosfären. Även aerosoler fungerar som kondensationskärnor för vattenånga, vilket orsakar ytterligare aerosolklimat genom att ändra molnegenskaper. Som ett resultat behövs sofistikerade globala mätningar för att definiera aerosolklimatkraften, som diskuteras nedan.

vikten av att känna till aerosoltvingningen visas genom att överväga följande två fall: (1) aerosol tvingar omkring -1 W/m2, så att netto klimat tvingar är ~ 2 W/m2, (2) aerosol tvingar av -2 W/m2, vilket ger en netto tvingar ~1 W/m2. Båda fallen är möjliga på grund av osäkerheten i aerosoltvättningen.

vilket alternativ som ligger närmare sanningen definierar villkoren för ett” faustiskt fynd ” som mänskligheten har satt för sig själv. Den globala uppvärmningen har hittills varit begränsad, eftersom aerosolkylning delvis har kompenserat växthusgasuppvärmningen. Men aerosoler förblir luftburna bara flera dagar, så de måste pumpas in i luften snabbare och snabbare för att hålla jämna steg med ökande långlivade växthusgaser (mycket av CO2 från fossila bränsleutsläpp kommer att förbli i luften i flera årtusenden). Oro för hälsoeffekterna av partikelformig luftförorening kommer emellertid sannolikt att leda till eventuell minskning av aerosoler som tillverkas av människor. Därefter kommer mänsklighetens faustiska betalning att förfalla.

om den sanna nättvingningen är + 2 W/m2 (aerosoltvingning -1 W/m2), ökar till och med en stor ansträngning för att städa upp aerosoler, säg minskning med hälften, bara 25% (från 2 W/m2 till 2,5 W/m2). Men om nätet tvingar är + 1 W/m2 (aerosol tvingar -2 W/m2), reducerar aerosoler med hälften fördubblar nettoklimatet tvingar (från 1 W/m2 till 2 W/m2). Med tanke på att globala klimateffekter redan observeras (IPCC, 2007; Hansen et al., 2012), en fördubbling av klimattvingningen tyder på att mänskligheten kan möta en allvarlig faustisk betalning.

de flesta klimatmodeller som bidrar till den senaste bedömningen av den mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC, 2007) använde aerosolförband i intervallet -0,5 till -1.1 W / m2 och uppnådde god överenskommelse med observerad global uppvärmning under det senaste århundradet, vilket tyder på att aerosoltvättningen endast är måttlig. Det finns dock en tvetydighet i klimatmodellerna. De flesta modeller som används i IPCC (2007) blandar värme effektivt i Mellan-och djuphavet, vilket resulterar i behovet av ett stort klimattvingande (~2 W/m2) för att värma jordens yta med den observerade 0.8 CCB under det senaste århundradet. Men om havet blandar värme i det djupare havet mindre effektivt, är det nettoklimat som krävs för att matcha observerad global uppvärmning mindre.

jordens energiobalans, om den mäts exakt, ger ett sätt att lösa denna tvetydighet. Fallet med snabb havsblandning och liten aerosoltvingning kräver en stor planetarisk energiobalans för att ge den observerade ytuppvärmningen. Den planetariska energiobalansen som krävs för att ge den observerade uppvärmningen för olika val av aerosol optiskt djup visas i Fig. 4, baserat på en förenklad representation av globala klimatsimuleringar (Hansen et al., 2011).

uppmätt jordenergiobalans, +0,58 W / m2 under 2005-2010, innebär att aerosoltvingningen är cirka -1.6 W / m2, en större negativ kraft än vad som används i de flesta IPCC-modeller. Vi diskuterar flera bevis på att de flesta klimatmodeller som användes i dessa tidigare studier hade måttligt överdriven havsblandning, vilket skulle kunna redogöra för det faktum att de uppnådde en bra passform för observerad global temperaturförändring med en mindre aerosoltvingning.

den stora (negativa) aerosolklimatkraften gör det absolut nödvändigt att vi uppnår en bättre förståelse för de aerosoler som orsakar denna tvingning. Tyvärr, den första satelliten kan mäta detaljerade aerosol fysikaliska egenskaper, Glory mission (Mishchenko et al., 2007), drabbades av ett lanseringsfel. Det är angeläget att ett ersättningsuppdrag genomförs, eftersom den nuvarande nettoeffekten av förändrade utsläpp i utvecklings-och industriländer är mycket osäker

globala mätningar för att bedöma aerosolindirekt klimatpåverkan, via aerosoleffekter på moln, kräver samtidiga polarimetriska mätningar med hög precision av reflekterad solstrålning och interferometriska mätningar av utsänd värmestrålning med de två instrumenten som tittar på samma område samtidigt. Ett sådant uppdragskoncept har definierats (Hansen et al., 1993) och de senaste omvärderingarna tyder på att det kan uppnås till en kostnad av cirka 100 miljoner dollar om det utförs av den privata sektorn utan krav på otillbörliga Statliga granskningspaneler.

relaterad länk

NASA News Release:jordens energibudget förblev i balans trots ovanligt låg solaktivitet

Hansen, J., W. Rossow och I. Fung (Red.), 1993:långsiktig övervakning av globala Klimatforcings och återkopplingar, NASA Conf. Publ. 3234, Goddard Institute för Rymdstudier, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer och J. C. Zachos, 2008:Target atmospheric CO2: Var ska mänskligheten sikta?Öppna Atmos. Sci. J., 2, 217-231, doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha och K. von Schuckmann, 2011:jordens energibalans och konsekvenser.Atmos. Chem. Phys., 11,13421-13449, doi: 10.5194 / acp-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato, och R. Ruedy ,2012: uppfattningar om klimatförändringar: den nya klimat dice,URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf, senast nås Jan. 6, 2012-inte tillgänglig April. 10, 2018

mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC),klimatförändringar 2007: den fysiska vetenskapliga grunden,S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor och H. L. Miller (Red.), Cambridge Univ. Tryck, 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 och L. D. Travis, 2007:noggrann övervakning av terrestriska aerosoler och total solstrålning: introduktion av Glory-uppdraget.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88,677-691, doi: 10.1175 / BAMS-88-5-677.

Purkey, S. G. och G. C. Johnson, 2010: uppvärmning av global abyssal och deep southern ocean mellan 1990-och 2000-talet:bidrag till globala värme-och havsnivåhöjningsbudgetar,J. Climate, 23, 6336-6351,doi: 10.1175/2010jcli3682.1.Von Schuckmann, K. och P.-Y. Le Traon, 2011: hur väl kan vi härleda globala havsindikatorer från Argo-data?Ocean Sci., 7,783-791, doi:10.5194 / os-7-783-2011.

OBS:PDF-dokument kräver gratis Adobe Reader eller kompatibel visning programvara som ska visas.