気候システム

気候システムは太陽からエネルギーを受け取り、地球の核からもはるかに少ないエネルギーを受け取り、さらに月の潮汐エネルギーも受け取ります。地球は2つの形で宇宙空間にエネルギーを放出します。太陽からの放射の一部を直接反射し、黒体放射として赤外線を放出します。流入エネルギーと流出エネルギーのバランス、および気候システムを通過するエネルギーの流れが、地球のエネルギー収支を決定します。流入エネルギーの総量が流出エネルギーよりも多い場合、地球のエネルギー不均衡は正となり、気候システムは温暖化します。流出するエネルギーが多い場合、エネルギー不均衡は負となり、地球は寒冷化します。^{[ 24 ]}

熱帯地域には極地よりも多くのエネルギーが到達し、その結果生じる温度差が大気と海洋の地球規模の循環を引き起こします。^{[ 25 ]}空気は暖まると上昇し、極に向かって流れ、冷えると再び下降して赤道に戻ります。^{[ 26 ]}角運動量保存の法則により、地球の自転は北半球では空気を右に、南半球では左に偏向させ、明確な大気セルを形成します。^{[ 27 ]}モンスーンは、主に熱帯地域で発生する風と降水の季節的な変化であり、陸地が海洋よりも容易に温まるという事実によって形成されます。温度差は陸と海洋の間に気圧差を引き起こし、一定の風を駆動します。^{[ 28 ]}

塩分濃度が高い海水は密度が高く、密度の違いは海洋循環において重要な役割を果たします。熱塩循環は熱を熱帯から極地へと運びます。^{[ 29 ]}海洋循環は風との相互作用によってさらに促進されます。塩分成分は凝固点温度にも影響を与えます。^{[ 30 ]}鉛直方向の動きは湧昇と呼ばれるプロセスでより冷たい水を表面に持ち上げ、上空の空気を冷却します。^{[ 31 ]}

水循環とは、地球の表面と大気の間で水が絶えず移動している様子を表すものです。^{[ 32 ]}植物は蒸散し、太陽光は海洋やその他の水域から水を蒸発させ、塩やその他のミネラルを残します。蒸発した淡水は後に雨となって地表に戻ります。^{[ 33 ]}降水と蒸発は地球全体に均等に分布しているわけではなく、熱帯などの地域では降水量が蒸発量より多く、他の地域では蒸発量が降水量より多くなっています。^{[ 34 ]}水の蒸発には相当量のエネルギーが必要ですが、凝結時には大量の熱が放出されます。この潜熱は、大気中の主要なエネルギー源です。^{[ 35 ]}

生命に不可欠な化学元素は、気候システムのさまざまな構成要素を絶えず循環しています。炭素循環は、大気中の2つの重要な温室効果ガスであるCO₂_とメタンの濃度を決定するため、気候に直接的に重要です。[ ^{36 ]炭素}循環の速い部分では、植物は光合成によって大気から二酸化炭素を吸収します。これは後に生物の呼吸によって再び放出されます。^{[ 37 ]}炭素循環の遅い部分では、火山は脱ガスによってCO₂_を放出し、地球の地殻とマントルから二酸化炭素を放出します。^{[ 38 ]}大気中のCO₂_は雨をやや酸性にするため、この雨は岩石をゆっくりと溶解することがあり、このプロセスは風化として知られています。このようにして放出された鉱物は海に運ばれ、生物によって利用され、その遺骸は堆積岩を形成し、炭素を岩石圏に戻します。^{[ 39 ]}

窒素循環は活性窒素の流れを表します。大気中の窒素は不活性であるため、微生物はまず窒素固定と呼ばれるプロセスでこれを活性窒素化合物に変換してから、生物圏の構成要素として使用できるようになります。^{[ 40 ]}人間の活動は炭素循環と窒素循環の両方で重要な役割を果たしています。化石燃料の燃焼により炭素が岩石圏から大気圏に移動しており、肥料の使用により利用可能な固定窒素の量が大幅に増加しています。^{[ 41 ]}

気候システムの構成要素は、外部からの圧力（外部強制力）がなくても、常に変化しています。大気における一例として、北大西洋振動（NAO）があり、これは大気圧のシーソーのように機能します。ポルトガルのアゾレス諸島は通常高気圧ですが、アイスランド上空は低気圧になることがよくあります。^{[ 48 ]}この気圧差は振動し、これが北大西洋地域から中央ユーラシアまでの気象パターンに影響を与えます。^{[ 49 ]}例えば、グリーンランドとカナダの天気は、NAOが正のときに寒くて乾燥しています。^{[ 50 ]}北大西洋振動のさまざまな位相は、数十年にわたって持続する可能性があります。^{[ 51 ]}

海洋と大気は、数年から数十年にわたって持続する内部気候変動を自発的に発生させるためにも協力して働くことがあります。^{[ 52 ] [ 53 ]}この種の変動の例としては、エルニーニョ・南方振動、太平洋十年規模振動、大西洋多十年規模振動などがあります。これらの変動は、深海と大気の間で熱を再分配することによって地球の平均表面温度に影響を与える可能性があります。^{[ 54 ] [ 55 ]}また、雲、水蒸気、海氷の分布を変化させることによっても影響を与え、地球の総エネルギー収支に影響を与える可能性があります。^{[ 56 ] [ 57 ]}

これらの振動の海洋的側面は、海洋が大気よりも数百倍の質量を持ち、したがって熱容量と熱慣性が大きいため、100年スケールで変動を生み出す可能性があります。たとえば、熱塩循環などの海洋プロセスの変化は、世界の海洋における熱の再分配に重要な役割を果たします。内部変動を理解することで、科学者は最近の気候変動を温室効果ガスに起因するものと特定することができました。^{[ 58 ]}

長期的な時間スケールでは、気候は主にシステム内のエネルギー量とその行き先によって決定されます。地球のエネルギー収支が変化すると、気候もそれに伴って変化します。エネルギー収支の変化は強制力と呼ばれます。変化が気候システムの5つの構成要素以外の何かによって引き起こされる場合、それは外部強制力と呼ばれます。^{[ 59 ]}例えば、火山は地球内部の深層プロセスによって発生し、気候システムの一部とはみなされていません。人間の活動、太陽活動の変化や小惑星の衝突といった地球外の変化も、気候システムの5つの構成要素の外部要因です。 ^{[ 1 ] : 1454}

気候強制力を定量化し比較するための主要な指標は、放射強制力である。

エアロゾル

大気中の液体および固体粒子は、総称してエアロゾルと呼ばれ、気候に多様な影響を及ぼします。一部は主に太陽光を散乱させて地球を冷却し、その他は太陽光を吸収して大気を温暖化します。^{[ 68 ]}間接的な影響としては、エアロゾルが雲凝結核として働き、雲の形成を促進することが挙げられます。^{[ 69 ]}エアロゾルの自然発生源には、海水の飛沫、鉱物の粉塵、隕石、火山などがあります。しかし、人間も寄与しており^{[ 68 ]}、バイオマスや化石燃料の燃焼などの人間の活動によってエアロゾルが大気中に放出されます。エアロゾルは、数年以内に地表に落下するまで、排出された温室効果ガスの温暖化効果の一部を打ち消します。^{[ 70 ]}

火山は厳密には気候システムの一部である岩石圏の一部ですが、火山活動は外部強制因子として定義されています。^{[ 71 ]}平均して、 1世紀に数トンのSO2_を成層圏に放出することで1年以上地球の気候に影響を与える火山噴火はわずか数回しかありません。^{[ 72 ] [ 73 ]}二酸化硫黄は化学的にエアロゾルに変換され、地球表面への太陽光の一部を遮断することで冷却を引き起こします。小規模な噴火は、大気にわずかな影響しか与えません。^{[ 72 ]}

気候システムのさまざまな要素は、外部からの強制力に対して異なる方法で反応します。構成要素間の重要な違いの1つは、強制力に対する反応速度です。大気は通常、数時間から数週間以内に反応しますが、深海と氷床は新しい平衡状態に達するまでに数世紀から数千年かかります。^{[ 80 ]}

外部強制に対する構成要素の初期応答は、負のフィードバックによって減衰され、正のフィードバックによって増強される可能性があります。たとえば、太陽強度の著しい低下は、地球の温度低下に急速につながり、その結果、氷と雪の被覆が拡大します。雪と氷の増加はアルベドまたは反射率が高くなるため、太陽放射が気候システム全体に吸収される前に、より多くの太陽放射を宇宙空間に反射します。これにより、地球はさらに冷却されます。^{[ 81 ]}