地球のエネルギー収支

地球大気圏上端 (TOA) で毎秒受け取るエネルギーの総量はワットで測定され、太陽定数に放射に対応する地球の断面積を掛けた値で与えられます。球の表面積は球の断面積 (つまり円の面積) の 4 倍であるため、地球全体で年間平均の TOA フラックスは太陽定数の 4 分の 1 であり、約 340 ワット/平方メートル(W/m ² ) となります。^{[ 8 ] [ 9 ]}吸収は場所だけでなく、日周期、季節、年間の変動によっても変化するため、引用されている数値は複数の衛星測定から得られた複数年平均です。^{[ 8 ]}

 地球が受ける太陽放射の約340 W/m ²のうち、平均約77  W/m ²は雲と大気によって宇宙に反射され、約23  W/m ^{2は地表面の}アルベドによって反射されるため、地球のエネルギー収支に入力される太陽エネルギーは約240  W/m ^{2となります。この量は吸収太陽放射（ASR）と呼ばれます。これは、地球の平均正味アルベド}（ボンドアルベド（A）とも呼ばれる）の値が約0.3であることを意味します。^{[ 8 ]}

${\displaystyle ASR=(1-A)\times 340~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}\simeq 240~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}.}$

エネルギーは、地球から放出される長波放射（OLR）の形で地球外へ放出されます。長波放射とは、地球の表面と大気から放出される電磁熱放射のことです。長波放射は赤外線帯域に属しますが、赤外線放射は短波放射にも長波放射にもなり得るため、両者は同義ではありません。太陽光には、かなりの量の短波赤外線放射が含まれています。長波放射と短波放射を区別するために、4マイクロメートルの閾値波長が用いられることがあります。

一般的に、吸収された太陽エネルギーはさまざまな形態の熱エネルギーに変換されます。地表面で吸収された太陽エネルギーの一部は、「大気の窓」の波長の熱放射に変換されます。この放射は妨げられることなく大気を通過し、直接宇宙空間に逃げることができ、OLRに寄与します。吸収された太陽エネルギーの残りは、さまざまな熱伝達メカニズムによって大気中を上方に輸送され、そのエネルギーの一部も宇宙空間に逃げることができ、再びOLRに寄与します。たとえば、熱は蒸発散と潜熱流束または伝導/対流プロセス、および放射熱輸送によって大気中に輸送されます。^{[ 8 ]} 最終的に、すべての放出エネルギーは長波放射の形で宇宙に放射されます。

地球表面から多層大気を通しての長波放射の輸送は、放射伝達に関するシュワルツシルトの式（または散乱が存在する場合はより複雑な式）などの放射伝達方程式によって支配され、キルヒホッフの熱放射の法則に従います。

1層モデルはOLRのおおよその記述を生成し、地表（T _s =288ケルビン）と対流圏の中央（T _a =242 K）の温度は観測された平均値に近い値になります。^{[ 10 ]}  

${\displaystyle OLR\simeq \epsilon \sigma T_{\text{a}}^{4}+(1-\epsilon )\sigma T_{\text{s}}^{4}.}$

この式において、σはステファン・ボルツマン定数であり、εは大気の放射率を表します。大気は「大気の窓」と呼ばれる波長範囲内では放射しないため、εは1未満です。

エアロゾル、雲、水蒸気、微量の温室効果ガスは、実効値ε = 0.78程度に寄与している。強い（4乗の）温度感度により、惑星の絶対温度のわずかな変化を通して、放出されるエネルギーの流れと流入されるエネルギーの流れがほぼ均衡している。

地球の周囲の宇宙から見ると、温室効果ガスは地球の大気放射率（ε）に影響を与えます。したがって、大気組成の変化は、全体的な放射バランスを変化させる可能性があります。たとえば、温室効果ガスの濃度の上昇による熱の閉じ込めの増加（つまり、温室効果の増大）は、 OLRの減少と温暖化（回復）エネルギーの不均衡を引き起こします。^{[ 11 ]} 最終的に、温室効果ガスの量が増減すると、吸収された太陽放射が放出される長波放射と等しくなるまで、つまりASRがOLRと等しくなるまで、その場の表面温度が上昇または下降します。

地球内部からの地熱流量は47テラワット（TW）^{[ 12 ]}と推定されており、放射性熱と地球形成時に残った熱にほぼ均等に分かれています。これは平均0.087  W/m ²のフラックスに相当し、地表における地球の総エネルギー収支のわずか0.027%に過ぎず、 入射する^太陽放射量は173,000 TW。[ ^{13 ]}

人間のエネルギー生産量はさらに少なく、2019 年全体で平均 18  TW、推定 160,000  TW 時である。^{[ 14 ]} しかし、消費量は急速に増加しており、化石燃料によるエネルギー生産は、大気中の温室効果ガスの増加も引き起こし、太陽放射に由来する流入/流出フローの不均衡が 20 倍以上大きくなる。 ^{[ 15 ]}

光合成も大きな影響を与えます。入射エネルギーの約140  TW（約0.08％）が光合成によって捕捉され、植物がバイオマスを生産するためのエネルギーとなります。^{[ 16 ]} 植物が食料や燃料として利用されるとき、1年間で同様の熱の流れが放出されます。

惑星間塵や太陽風の集積、太陽以外の恒星からの光、宇宙からの熱放射など、その他の微弱なエネルギー源は通常、計算では無視される。以前、ジョセフ・フーリエは、温室効果に関する最初の論文としてよく引用される論文の中で、深宇宙からの放射が重要であると主張していた。^{[ 17 ]}

予算内の内部の流れを説明するために、添付のサンキー図に示すように、大気圏上端で受ける日射量を 100 単位 (=  340  W/m ² ) とします。地球のアルベドと呼ばれるこの例では、約 35 単位が宇宙空間に直接反射されます。内訳は、雲の上部から 27 単位、雪や氷に覆われた地域から 2 単位、その他の大気圏部分から 6 単位です。残りの 65 単位 (ASR  =  220  W/m ² ) は吸収されます。内訳は、大気圏内で 14 単位、地表面で 51 単位です。

地表に到達して吸収された 51 単位の熱は、さまざまな形態の地球エネルギーによって宇宙空間に放出されます。17 単位は直接宇宙空間に放射され、34 単位は大気に吸収されます (19 単位は蒸発潜熱、9 単位は対流と乱流、6 単位は温室効果ガスによる赤外線吸収)。大気に吸収された 48 単位 (地表エネルギーからの 34 単位と日射からの 14 単位) は、最終的に宇宙空間に放射されます。この簡略化された例では、熱を再循環、蓄積し、地表付近でさらに熱が蓄積されるメカニズムの詳細が省略されています。

最終的に、65ユニット（地上から17ユニット、大気から48ユニット）がOLRとして放出されます。これらは、地球のエネルギーの正味増加をゼロに保つために、太陽から吸収される65ユニット（ASR）とほぼ釣り合っています。^{[ 18 ]}

陸地、氷、海洋は、大気とともに地球の気候システムの活性物質構成要素です。これらははるかに大きな質量と熱容量を持ち、したがってはるかに大きな熱慣性を持っています。放射が直接吸収されたり、表面温度が変化したりすると、伝導/対流熱伝達プロセスを介して、顕熱としてこれらの構成要素の質量に出入りします。水が固体/液体/気体状態の間で変化すると、潜熱の形で位置エネルギーの源またはシンクとしても機能します。これらのプロセスは、大気の急激な放射変化の一部に対して表面の状態を緩衝します。その結果、表面温度の昼夜差は比較的小さくなります。同様に、地球の気候システム全体は、大気放射バランスの変化に対してゆっくりとした応答を示します。 ^{[ 19 ]}

地球の海洋の最上層数メートルには、地球の大気全体よりも多くのエネルギーが蓄えられている。^{[ 20 ]} 大気中のガスと同様に、流動性のある海洋水は、地球の表面全体に膨大な量のエネルギーを輸送する。顕熱は、下降流や上昇流が起こりやすい条件下で、深層に出入りする。^{[ 21 ] [ 22 ]}科学者は、海洋エンタルピー の変化を測定することによって、これらの大規模なエネルギー移動を観測する。^{[ 23 ]}

1970 年以降、地球温暖化によって地球上に蓄積された余剰エネルギーの 90% 以上が海洋に蓄えられています。^{[ 20 ]} 約 3 分の 1 は水深 700 メートルより深いところまで広がっています。全体的な増加率もここ数十年で上昇し、2020 年時点で 500  TW (1  W/m ² )近くに達しています。 ^{[ 24 ] [ 5 ]} その結果、年間約 14ゼタジュール(ZJ) の熱増加が生じ、人間の総一次エネルギー消費量 570エクサジュール(=160,000 TW-hr ^{[ 14 ]} )を少なくとも 20 倍上回りました。 ^{[ 15 ]}    

一般的に、地球のエネルギー収支の変化は、外部強制力（自然要因と人為的要因、放射性要因と非放射性要因の両方）、システムフィードバック、および内部システム変動の結果であると考えることができます。^{[ 25 ]} このような変化は主に、温度（T）、雲（C）、水蒸気（W）、エアロゾル（A）、微量温室効果ガス（G）、陸地/海洋/氷の表面反射率（S）の観測可能な変化、および日射量（I）のわずかな変化など、他の可能性のある要因として表されます。地球の加熱/冷却速度は、選択された時間枠（Δt）にわたって、これらの属性に関連するエネルギーの正味変化（ΔE）として分析できます。

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta E/\Delta t&=(\ \Delta E_{T}+\Delta E_{C}+\Delta E_{W}+\Delta E_{A}+\Delta E_{G}+\Delta E_{S}+\Delta E_{I}+...\ )/\Delta t\\\\&=ASR-OLR.\end{整列}}}$

ここで、プランク応答に対応する項 ΔE _{T は}、OLR に強い直接的な影響を与えるため、温度が上昇すると負の値になります。^{[ 26 ] [ 24 ]}

最近の微量温室効果ガスの増加は温室効果を増大させ、したがって正の ΔE _G強制項をもたらします。対照的に、大規模な火山噴火 (例:ピナツボ山 1991 年、エル・チチョン1982 年) は、硫黄含有化合物を上層大気に注入する可能性があります。成層圏の高濃度の硫黄エアロゾルは数年間持続する可能性があり、ΔE _Aに負の強制寄与をもたらします。^{[ 27 ] [ 28 ]}他のさまざまなタイプの人為的エアロゾル排出は、ΔE _Aに正と負の両方の寄与をもたらします。太陽活動周期は、人間の活動による最近の ΔE _G傾向よりも小さいΔE _Iを生成します。^{[ 29 ] [ 30 ]}

気候強制力は、元の強制力を強める（正のフィードバック）または弱める（負のフィードバック）直接的および間接的なフィードバックを生み出す可能性があるため、複雑です。これらは多くの場合、温度応答に従います。水蒸気は、蒸発シフトとクラウジウス・クラペイロンの関係により、温度変化に対して正のフィードバックとして傾向を示します。水蒸気の増加は、温室効果のさらなる増強により、正のΔE _{Wをもたらします。より緩やかな正のフィードバックは、}氷アルベドフィードバックです。たとえば、気温上昇による北極の氷の減少は、その地域の反射率を低下させ、エネルギーの吸収を増加させ、氷の融解速度をさらに加速させ、ΔE _Sに正の影響を与えます。^{[ 31 ]} プランク応答を除くフィードバックは、全体として地球温暖化または寒冷化を増幅する傾向があります。^{[ 32 ] : 94}

雲は地球のアルベドの約半分を占めており、気候システムの内部変動の強力な表現です。^{[ 33 ] [ 34 ]} また、強制力に対するフィードバックとして作用することもあり、例えば人工降雨活動の結果であれば、それ自体が強制力となることもあります。ΔECへの寄与は地域によって、また雲の種類によって異なります。衛星からの測定値は_、理解を深め、不確実性を減らすために、モデルによるシミュレーションと連携して収集されます。^{[ 35 ]}

気候システムに存在する惑星の熱量は、その各構成要素の熱容量、密度、温度分布に基づいて算出することができる。現在、ほとんどの地域は十分にサンプリングされ、監視されているが、最も重要な例外は深海である。^{[ 40 ]}

EEIの絶対値の推定値も同様に、近年の数十年間の期間における測定された温度変化を用いて計算されている。2006年から2020年の期間のEEIは約+0.76 ± 0.2  W/m ²であり、平均値より有意に増加した。 1971年から2020年の期間では+0.48 ± 0.1 W/m ^{2であった。 [ 5 ]}

EEIは、50年以上にわたってほぼあらゆる場所で気温が上昇しているため、プラスとなっています。 地球表面温度（GST）は、海面で測定された温度と陸上で測定された気温を平均して計算されます。少なくとも1880年まで遡る信頼できるデータによると、GSTは 1970年頃から10年あたり約0.18℃の着実な上昇を遂げています。 ^{[ 41 ]}

海水は太陽エネルギーを特に効率的に吸収し、大気よりもはるかに大きな総熱容量を持っています。 ^{[ 42 ]} 調査船や観測所は、1960 年以前から世界中の深海の温度をサンプリングしてきました。さらに、2000 年以降、約 4000 個のArgo ロボットフロートからなる拡大するネットワークが、温度異常、つまり海洋熱量変化 (ΔOHC) を測定してきました。少なくとも 1990 年以降、OHC は一定または加速的に増加しています。ΔOHC は EEI の最大の部分を表しています。これは、海洋がこれまで時間 (Δt) にわたってシステムに流入する正味の余剰エネルギーの 90% 以上を吸収してきたためです。^{[ 43 ] [ 44 ]}

${\displaystyle EEI\gtrsim \Delta OHC/\Delta t}$。

地球の外殻と厚い氷に覆われた地域は、余剰エネルギーを比較的ほとんど吸収していません。これは、表面の余剰熱が熱伝導によってのみ内部に流れ込み、日周期では数十センチメートル、年周期では数十メートルしか浸透しないためです。^{[ 45 ]} 吸収された熱の大部分は、氷や永久凍土の融解、または土壌からの水分の蒸発に使われます。

いくつかの衛星は地球が吸収および放射するエネルギーを測定し、それによって推測されるエネルギーの不均衡を測定します。これらは大気圏上端 (TOA) に位置し、地球全体をカバーするデータを提供します。NASAの地球放射収支実験(ERBE) プロジェクトには、1984 年 10 月に打ち上げられた地球放射収支衛星 (ERBS)、1984 年 12 月に打ち上げられた NOAA-9、および 1986 年 9 月に打ち上げられた NOAA-10 の 3 つの衛星が含まれていました。 ^{[ 46 ]}

NASAの雲と地球放射エネルギーシステム（CERES）機器は、 2000年3月から地球観測システム（EOS）の一部となっている。CERESは、太陽光反射（短波長）と地球放射（長波長）の両方を測定するように設計されている。^{[ 48 ]} CERESデータは、EEIの増加を示した。 2005年から+0.42 ± 0.48 W/m ²2019年には+1.12 ± 0.48  W/m ²でした。寄与要因には、水蒸気の増加、雲の減少、温室効果ガスの増加、氷の減少などがありましたが、これらは気温の上昇によって部分的に相殺されました。^{[ 24 ] [ 47 ]} GFDL CM4/AM4気候モデルを使用したその後の挙動の調査では、内部気候変動のみでこの傾向が引き起こされる可能性は1%未満であると結論付けられました。^{[ 49 ]}

他の研究者たちは、CERES、AIRS、CloudSat 、その他のEOS機器のデータを使用して、 EEIデータに埋め込まれた放射強制力の傾向を調べました。彼らの分析は、強制力の増加を示しました。2003年から2018年にかけて+0.53 ± 0.11  W/m ²増加した。増加分の約80%は、温室効果ガスの濃度上昇により放出される長波放射が減少したことに関連している。^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}

TRMMやCALIPSOのデータを含むさらなる衛星観測では、蒸発によって地表から放出されるエネルギー（潜熱フラックス）の増加によって維持される降水量の増加が示されており、地表への長波温室フラックスの増加の一部を相殺している。^{[ 53 ]}

注目すべきは、放射測定の校正の不確実性が、安定していて高精度である現在の世代の衛星搭載機器の能力を制限している点である。その結果、EEIの相対的な変化は、絶対的な不均衡の単一の測定では達成できない精度で定量化できる。 ^{[ 54 ] [ 55 ]}

1994年以降の観測によると、地球上のあらゆる場所から氷が加速的に後退していることがわかっています。^{[ 57 ]} 氷の融解と海洋温度の全体的な上昇が相まって、世界の平均海面も同様に上昇しています。 ^{[ 58 ]} これらの変化は、地球の幾何学的形状と重力に測定可能な変化をもたらしました。

水圏および氷圏における水の質量分布の変化は、GRACE衛星機器による重力観測を用いて推定されている。これらのデータは、熱膨張、塩分変化、その他の要因を考慮した計算モデルを用いて、海洋表面地形およびさらなる水文観測と比較されている。それによって得られたΔOHCおよびEEIの推定値は、不確実性の範囲内で他の（ほとんど）独立した評価と一致している。^{[ 56 ] [ 59 ]}

気候科学者のケビン・トレンバース、ジェームズ・ハンセンらは、地球のエネルギー不均衡のモニタリングが、政策立案者が緩和策と適応策のペースを定める上で重要な指標であると指摘している。気候システムの慣性により、長期的なEEI（地球のエネルギー不均衡）の傾向は、「進行中」のさらなる変化を予測することができる。^{[ 38 ] [ 60 ] [ 61 ]}

科学者たちは、EEIが気候変動に関連する最も重要な指標であることを発見しました。これは、気候システム内で作用するすべてのプロセスとフィードバックの正味の結果です。^{[ 1 ]}余分なエネルギーが気象システムと降雨にどれだけ影響するかを知ることは、増加する異常気象を理解するために不可欠です。^{[ 1 ]}

2012年、NASAの科学者たちは、地球温暖化を止めるには、_他 のすべての気候強制力が固定されていると仮定した場合、大気中のCO2濃度を350ppm以下に下げる必要があると報告した。 ^{[ 62 ]} 2020年現在、大気中のCO2_は415ppmに達し、人間の排出量の継続的な増加により、すべての長期温室効果ガスは500ppm CO2換算 濃度を 超えて_いる。^{[ 63 ]}