Энергетический бюджет Земли вышел из равновесия - вот как это приводит к потеплению климата

Вы, наверное, помните, как учителя естествознания в школе объясняли, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Это фундаментальное свойство Вселенной.

Однако энергия может быть преобразована. Когда солнечные лучи достигают Земли, они преобразуются в беспорядочные движения молекул, которые вы ощущаете как тепло. В то же время Земля и атмосфера посылают излучение обратно в космос. Баланс между входящей и исходящей энергией известен как "энергетический бюджет" Земли.

Наш климат определяется этими энергетическими потоками. Когда количество поступающей энергии превышает количество уходящей, планета нагревается.

Это может происходить несколькими путями, например, когда исчезает морской лед, который обычно отражает солнечную радиацию обратно в космос, и темный океан поглощает эту энергию. Это также происходит, когда в атмосфере накапливаются парниковые газы и задерживают часть энергии, которая в противном случае уходила бы в атмосферу.

Ученые измеряют энергетический бюджет Земли с помощью приборов на спутниках, в воздухе и океанах, а также на земле. Это важная часть новой глобальной оценки климата, подготовленной Межправительственной группой экспертов ООН по изменению климата и опубликованной 9 августа 2021 года.

Вот более подробный обзор потоков энергии и того, что энергетический бюджет говорит нам о том, как и почему происходит потепление на планете.

Практически вся энергия в климатической системе Земли поступает от Солнца. Лишь небольшая часть поступает из недр Земли.

В среднем на квадратный метр планеты приходится 340,4 ватта солнечного света. Весь солнечный свет приходится на дневную сторону, а в местный полдень эти показатели значительно выше.

Из них 340,4 ватта на квадратный метр:
- 99,9 Вт отражаются обратно в космос облаками, пылью, снегом и поверхностью Земли.
- Оставшиеся 240,5 Вт поглощаются - примерно четверть атмосферой, остальное - поверхностью планеты. Это излучение преобразуется в тепловую энергию в системе Земли.

Почти вся поглощенная энергия соответствует энергии, излучаемой обратно в космос. Однако остаток накапливается в виде глобального потепления. Согласно последним данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, этот остаток увеличился с чуть менее 0,6 ватт на квадратный метр в конце прошлого века до 0,79 в 2006-2018 гг. Подавляющая часть этого объема приходится на нагрев океанов. Хотя это может показаться небольшим числом, энергия возрастает.

Атмосфера поглощает большое количество энергии и излучает ее в виде радиации как в космос, так и обратно на поверхность планеты. Фактически поверхность Земли получает от атмосферы почти в два раза больше излучения, чем от прямого солнечного света. Это связано прежде всего с тем, что Солнце нагревает поверхность только днем, в то время как теплая атмосфера находится над ней круглосуточно.

В сумме энергия, поступающая на поверхность Земли от Солнца и из атмосферы, составляет около 504 Вт на квадратный метр. Около 79% этой энергии поверхность Земли излучает обратно. Оставшаяся на поверхности энергия идет на испарение воды и нагрев воздуха, океанов и суши.

Остаток между входящим солнечным светом и исходящим инфракрасным излучением обусловлен накоплением в воздухе парниковых газов, таких как углекислый газ. Эти газы прозрачны для солнечного света, но непрозрачны для инфракрасных лучей - они поглощают и излучают большое количество инфракрасных лучей обратно вниз.

В ответ на это температура поверхности Земли должна повышаться до тех пор, пока не восстановится баланс между входящим и исходящим излучением.

Удвоение количества углекислого газа приведет к тому, что каждый квадратный метр Земли будет нагреваться на 3,7 ватта. Представьте себе старомодные ночные лампы накаливания, расставленные через каждые 3 метра по всему земному шару и оставленные включенными навечно.

При нынешних темпах выбросов уровень парниковых газов к середине века удвоится по сравнению с доиндустриальным уровнем.

По расчетам климатологов, такое количество тепла приведет к потеплению климата Земли примерно на 3С. Для предотвращения этого потребуется заменить сжигание ископаемого топлива, являющегося основным источником выбросов парниковых газов, другими видами энергии.

Энергетический бюджет Земли находится в центре внимания новой оценки климата МГЭИК, написанной сотнями ученых на основе анализа последних исследований. Зная о происходящих изменениях, каждый сможет сделать более правильный выбор, чтобы сохранить климат таким, каким мы его знаем.