Hệ thống khí hậu và Cân bằng năng lượng
Năng lượng mặt trời đến, bức xạ nhiệt đi, và các dòng chảy giữa khí quyển, đại dương, băng, đất liền và sinh quyển thiết lập nhiệt độ và sự lưu thông của hành tinh như thế nào.
Definition
Hệ thống khí hậu là tập hợp các thành phần ghép nối, bao gồm khí quyển, thủy quyển, quyển băng, bề mặt đất liền và sinh quyển, mà các tương tác và trao đổi năng lượng của chúng quyết định khí hậu, và cân bằng năng lượng của nó là trạng thái cân bằng giữa bức xạ mặt trời hấp thụ và bức xạ nhiệt phát ra.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm hệ thống khí hậu như một cỗ máy năng lượng ghép nối: ngân sách bức xạ toàn cầu ở đỉnh khí quyển và bề mặt, sự phân chia năng lượng giữa khí quyển, đại dương, quyển băng, bề mặt đất liền và sinh quyển, và các quá trình vận chuyển phân phối lại nhiệt từ vùng nhiệt đới về phía các cực. Nó đề cập đến cơ sở vật lý của hiệu ứng nhà kính, các phản hồi khuếch đại hoặc làm giảm các nhiễu loạn, và khái niệm độ nhạy khí hậu liên kết sự thay đổi trong tác động cưỡng bức với sự thay đổi cân bằng về nhiệt độ.
Sub-topics
Core questions
- Ngân sách năng lượng hành tinh được phân chia như thế nào giữa sự phản xạ, hấp thụ và phát xạ nhiệt?
- Tại sao hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bề mặt lên trên giá trị cân bằng bức xạ?
- Những phản hồi nào khuếch đại hoặc làm giảm phản ứng đối với một nhiễu loạn bức xạ, và ở mức độ nào?
- Khí quyển và đại dương vận chuyển nhiệt như thế nào để cân bằng sự mất cân bằng bức xạ theo vĩ độ?
Key theories
- Cân bằng bức xạ hành tinh
- Ở trạng thái cân bằng, hệ thống khí hậu phát ra bức xạ nhiệt vào không gian nhiều bằng lượng hấp thụ từ Mặt Trời, và suất phản chiếu (albedo) của hành tinh cùng với sự hấp thụ của khí nhà kính thiết lập nhiệt độ bề mặt kết quả.
- Vận chuyển năng lượng và hoàn lưu chung
- Vì vùng nhiệt đới nhận được nhiều năng lượng mặt trời hơn lượng phát ra trong khi các cực phát ra nhiều hơn lượng nhận được, khí quyển và đại dương lưu thông để vận chuyển nhiệt về phía cực, định hình hoàn lưu chung.
- Độ nhạy khí hậu và các phản hồi
- Phản ứng nhiệt độ cân bằng đối với việc tăng gấp đôi carbon dioxide phụ thuộc vào các phản hồi liên quan đến hơi nước, mây, suất phản chiếu bề mặt và tốc độ giảm nhiệt độ theo độ cao (lapse rate), những yếu tố này cùng nhau khuếch đại hiệu ứng bức xạ trực tiếp.
Mechanisms
Bức xạ mặt trời sóng ngắn một phần bị phản xạ bởi mây, sol khí (aerosol) và bề mặt, và một phần bị hấp thụ, làm ấm hệ thống; bề mặt và khí quyển được làm ấm phát ra bức xạ sóng dài, phần lớn trong số đó bị hấp thụ và phát xạ lại bởi các khí nhà kính trước khi thoát ra không gian. Sự mất cân bằng vĩ độ giữa bức xạ mặt trời hấp thụ và bức xạ nhiệt phát ra thúc đẩy sự vận chuyển nhiệt trong khí quyển và đại dương, trong khi các phản hồi điều chỉnh lượng ấm lên cần thiết để khôi phục cân bằng sau một tác động cưỡng bức.
Clinical relevance
Việc định lượng ngân sách năng lượng và độ nhạy khí hậu là nền tảng để dự báo mức độ ấm lên của hành tinh đối với một sự thay đổi nhất định trong khí nhà kính, làm cơ sở cho các mục tiêu chính sách khí hậu và đánh giá tác động.
Evidence & guidelines
Báo cáo Đánh giá lần thứ Sáu của IPCC tổng hợp các quan sát và mô hình để giới hạn ngân sách năng lượng toàn cầu và đánh giá độ nhạy khí hậu cân bằng trong phạm vi có thể xảy ra là khoảng 2,5 đến 4 độ C cho mỗi lần tăng gấp đôi carbon dioxide.
History
Nghiên cứu định lượng về cân bằng năng lượng hành tinh phát triển từ công trình thế kỷ XIX về hiệu ứng nhà kính và các ước tính ngân sách năng lượng ban đầu, tiến bộ thông qua mô hình hóa bức xạ-đối lưu thế kỷ XX, và được biến đổi bởi các phép đo vệ tinh về ngân sách bức xạ ở đỉnh khí quyển cho phép đóng các dòng năng lượng toàn cầu bằng quan sát.
Debates
- Phản hồi của mây và ảnh hưởng của nó đến độ nhạy khí hậu
- Cách mây phản ứng với sự ấm lên, và liệu phản ứng đó khuếch đại hay làm giảm sự ấm lên, vẫn là nguồn không chắc chắn lớn nhất trong các ước tính về độ nhạy khí hậu.
Key figures
- Dennis Hartmann
- Kevin Trenberth
- Syukuro Manabe
- Veerabhadran Ramanathan
Related topics
Seminal works
- hartmann2016
- trenberth2009
Frequently asked questions
- Điều gì giữ cho Trái Đất ấm hơn nhiệt độ cân bằng bức xạ của nó?
- Các khí nhà kính hấp thụ và phát xạ lại bức xạ nhiệt, vì vậy bề mặt duy trì ấm hơn khoảng 33 độ C so với khi có một bầu khí quyển trong suốt.
- Độ nhạy khí hậu là gì?
- Đó là sự ấm lên toàn cầu dài hạn được dự kiến từ việc tăng gấp đôi carbon dioxide trong khí quyển, được IPCC đánh giá là có thể khoảng 2,5 đến 4 độ C sau khi các phản hồi tác động.