Климатическая система и энергетический баланс
Как поступающая солнечная энергия, исходящее тепловое излучение и потоки между атмосферой, океаном, льдом, сушей и биосферой определяют температуру и циркуляцию планеты.
Definition
Климатическая система — это сопряженный набор компонентов: атмосфера, гидросфера, криосфера, поверхность суши и биосфера, взаимодействия и энергообмен которых определяют климат, а ее энергетический баланс — это равновесие между поглощенной солнечной радиацией и испускаемым тепловым излучением.
Scope
Эта область охватывает климатическую систему как сопряженную энергетическую машину: глобальный радиационный бюджет на верхней границе атмосферы и на поверхности, распределение энергии между атмосферой, океаном, криосферой, поверхностью суши и биосферой, а также переносы, перераспределяющие тепло от тропиков к полюсам. Она рассматривает физические основы парникового эффекта, обратные связи, которые усиливают или ослабляют возмущения, и концепцию чувствительности климата, связывающую изменение форсинга с равновесным изменением температуры.
Sub-topics
Core questions
- Как планетарный энергетический бюджет распределяется между отражением, поглощением и тепловым излучением?
- Почему парниковый эффект повышает температуру поверхности выше значения радиационного равновесия?
- Какие обратные связи усиливают или ослабляют реакцию на радиационное возмущение и насколько?
- Как атмосфера и океан переносят тепло для балансировки широтного дисбаланса радиации?
Key theories
- Планетарный радиационный баланс
- В равновесии климатическая система излучает в космос столько же теплового излучения, сколько поглощает от Солнца, а планетарное альбедо вместе с парниковым поглощением определяет результирующую температуру поверхности.
- Перенос энергии и общая циркуляция
- Поскольку тропики получают больше солнечной энергии, чем излучают, в то время как полюса излучают больше, чем получают, атмосфера и океан циркулируют, перенося тепло к полюсам, формируя общую циркуляцию.
- Чувствительность климата и обратные связи
- Равновесная температурная реакция на удвоение углекислого газа зависит от обратных связей, включающих водяной пар, облака, поверхностное альбедо и градиент температуры, которые в совокупности усиливают прямой радиационный эффект.
Mechanisms
Коротковолновое солнечное излучение частично отражается облаками, аэрозолями и поверхностью, а частично поглощается, нагревая систему; нагретая поверхность и атмосфера испускают длинноволновое излучение, большая часть которого поглощается и переизлучается парниковыми газами, прежде чем уйти в космос. Широтный дисбаланс между поглощенным солнечным и испускаемым тепловым излучением приводит в движение атмосферный и океанический теплоперенос, в то время как обратные связи регулируют величину потепления, необходимую для восстановления баланса после форсинга.
Clinical relevance
Количественная оценка энергетического бюджета и чувствительности климата является основой для прогнозирования того, насколько планета потеплеет при заданном изменении парниковых газов, что лежит в основе целей климатической политики и оценок воздействия.
Evidence & guidelines
Шестой оценочный доклад МГЭИК обобщает наблюдения и модели для ограничения глобального энергетического бюджета и оценивает равновесную чувствительность климата в вероятном диапазоне примерно от 2,5 до 4 градусов Цельсия на каждое удвоение углекислого газа.
History
Количественное изучение планетарного энергетического баланса выросло из работ XIX века по парниковому эффекту и ранних оценок энергетического бюджета, развивалось благодаря радиационно-конвективному моделированию в XX веке и было преобразовано спутниковыми измерениями радиационного бюджета на верхней границе атмосферы, что позволило наблюдать глобальные энергетические потоки.
Debates
- Облачная обратная связь и ее влияние на чувствительность климата
- То, как облака реагируют на потепление и усиливает ли эта реакция его или ослабляет, остается крупнейшим источником неопределенности в оценках чувствительности климата.
Key figures
- Dennis Hartmann
- Kevin Trenberth
- Syukuro Manabe
- Veerabhadran Ramanathan
Related topics
Seminal works
- hartmann2016
- trenberth2009
Frequently asked questions
- Что поддерживает Землю теплее, чем ее температура радиационного равновесия?
- Парниковые газы поглощают и переизлучают тепловое излучение, поэтому поверхность остается примерно на 33 градуса Цельсия теплее, чем была бы при прозрачной атмосфере.
- Что такое чувствительность климата?
- Это долгосрочное глобальное потепление, ожидаемое от удвоения атмосферного углекислого газа, оцениваемое МГЭИК как вероятное примерно от 2,5 до 4 градусов Цельсия после действия обратных связей.