地球のエネルギー予算

地球のエネルギー収支（または地球のエネルギーバランス）は、地球が太陽から受け取るエネルギーと地球が宇宙空間に失うエネルギーのバランスです。地球の内部熱などのより小さなエネルギー源も考慮されますが、太陽エネルギーと比較するとわずかな貢献しかありません。エネルギー収支では、エネルギーが気候システムをどのように移動するかも考慮されます。^{[2] ：2227}太陽は極地よりも赤道熱帯をより熱します。そのため、特定の地域が受け取る太陽放射量は不均一に分布しています。エネルギーが地球全体で平衡を求めるにつれて、地球の気候システム、つまり地球の水、氷、大気、岩石地殻、およびすべての生物の相互作用が促進されます。^{[2] ：2224}その結果が地球の気候です。

地球のエネルギー収支は、大気エアロゾル、温室効果ガス、地表アルベド、雲、土地利用パターンなど、多くの要因に依存します。入ってくるエネルギーフラックスと出ていくエネルギーフラックスがバランスしているとき、地球は放射平衡状態にあり、気候システムは比較的安定します。地球が受け取るエネルギーが宇宙に返すエネルギーを上回ると地球温暖化が起こり、出ていくエネルギーが上回ると地球寒冷化が起こります。 ^[3]

複数の種類の測定と観測により、少なくとも1970年以来、温暖化の不均衡が示されています。^{[4] [5]}この人為的な出来事による温暖化の速度は前例のないものです。^{[6] : 54}地球のエネルギーの変化の主な原因は、大気の組成における人為的な変化です。^[1] 2005年から2019年の間、地球のエネルギー不均衡（EEI）は平均で約460  TWまたは世界全体で0.90 ± 0.15 W/m ² . ^[1]

エネルギー収支の変化が地球表面温度の大きな変化につながるには時間がかかります。これは海洋、陸地、氷圏の熱慣性によるものです。^[7]ほとんどの気候モデルは、この慣性、エネルギーの流れ、貯蔵量を正確に計算します。

地球のエネルギー予算には、「気候システムに関連する主要なエネルギーフロー」が含まれます。^[2]これらは、「大気上端のエネルギー予算、表面エネルギー予算、地球全体のエネルギー在庫の変化、気候システム内のエネルギーの内部フロー」です。^{[2] : 2227}

地球との間で膨大なエネルギーがやり取りされているにもかかわらず、地球は比較的一定の温度を維持しています。これは、全体として純益も損失もほとんどないためです。地球は、太陽放射（あらゆる形態の電磁放射）で受け取るエネルギーとほぼ同じ量のエネルギーを、大気および地球放射（より長い電磁波長にシフト）を介して宇宙に放出しています。

地球のエネルギー変化の主な原因は、大気の組成における人為的変化であり、地球全体で約460 TWに上ります。0.90 ± 0.15 W/m ² . ^[1]

地球の大気圏上端（TOA）で1秒間に受けるエネルギーの総量はワットで測定され、太陽定数と放射量に対応する地球の断面積の積で表されます。球体の表面積は球体の断面積（つまり円の面積）の4倍であるため、地球全体および年間平均のTOAフラックスは太陽定数の4分の1となり、1平方メートルあたり約340ワット（ W/m ²）となります。^{[8] [9]}吸収量は場所だけでなく日周、季節、年間の変動によっても異なるため、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の平均です。^[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が雲や大気によって宇宙に反射され、約23 W/m ^{2 が}表面アルベドによって反射され、約240 W/m ^{2の太陽エネルギーが地球のエネルギー予算に入力されます。この量は吸収太陽放射（ASR）と呼ばれます。これは、地球の平均純アルベド（}ボンドアルベド（A）とも呼ばれます）の値が約0.3であることを意味します。^[8]

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

熱エネルギーは、外向きの長波放射(OLR)の形で地球から放出されます。長波放射は、地球の表面と大気から放射される電磁熱放射です。長波放射は赤外線 帯域にあります。ただし、赤外線は短波または長波のいずれかであるため、これらの用語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 ミクロンの閾値波長が使用さ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、大気を妨げられることなく通過し、宇宙に直接逃げて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、大気はそのエネルギーを熱エネルギーとして放出し、宇宙に逃げて再び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過する長波放射の輸送は、放射伝達に関するシュワルツシルト方程式（または散乱が存在する場合はより複雑な方程式）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（Ts =288ケルビン）と対流圏中央部（Ta =242 K）の温度は_観測さ れた平均値に_近い値となる：^[10]

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

この式で、σはシュテファン・ボルツマン定数、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放射しないため、ε は 1 未満になります。

エアロゾル、雲、水蒸気、微量温室効果ガスは、約ε = 0.78の有効値に寄与します。強い（4乗）温度感度は、惑星の絶対温度の小さな変化を介して、出ていくエネルギーの流れと入ってくる流れのほぼバランスを維持します。

地球の周囲空間から見ると、温室効果ガスは地球の大気の放射率（ε）に影響を与えます。大気の組成が変化すると、全体的な放射バランスが変化する可能性があります。たとえば、温室効果ガスの濃度が上昇して熱が閉じ込められる量が増えると（つまり、温室効果が強まると） 、 OLRが低下し、温暖化（回復）エネルギーの不均衡が生じます。^[11] 最終的に、温室効果ガスの量が増加または減少すると、吸収された太陽放射が放射される長波放射に等しくなるまで、つまりASRがOLRに等しくなるまで、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は47テラワット（TW）と推定されており[ 12 ]、^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る。これは平均フラックス0.087 W/m ²に相当し、地球表面の総エネルギー予算のわずか0.027％に過ぎず、173,000  TWの太陽放射が入射します。^[13]

人間によるエネルギー生産は平均18TWでさらに低く、2019年全体では推定160,000TW-hrに相当します。^[14] しかし、消費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生み出し、太陽放射に起因する流入/流出の流れの不均衡を20倍以上も引き起こします。^[15]

光合成も大きな影響を及ぼします。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、植物にバイオマス生産のためのエネルギーを与えます。^[16] 植物が食料や燃料として使用されるときも、同様の熱エネルギーの流れが年間を通じて放出されます。

計算では、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、その他の小さなエネルギー源は通常無視されます。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ました。^[17]

簡単に言えば、地球のエネルギー収支は、入ってくるエネルギーと出ていくエネルギーが等しいときにバランスが取れます。入ってくるエネルギーの一部は直接反射されるため、バランスは吸収される入ってくる太陽放射（短波）と出ていく長波放射が等しいとも言えます。

${\displaystyle ASR=OLR.}$

予算内の内部フローの一部を説明するために、添付のサンキー図に示すように、大気圏上部で受ける日射量を 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 単位が宇宙に直接反射されます。そのうち 27 単位は雲の上部から、2 単位は雪や氷に覆われた地域から、6 単位は大気圏の他の部分から反射されます。残りの 65 単位 (ASR = 220 W/m ² ) は吸収されます。そのうち 14 単位は大気圏で、51 単位は地球の表面で吸収されます。

地表に到達して吸収された 51 単位は、さまざまな形態の地球エネルギーを通じて宇宙に放射されます。17 単位は宇宙に直接放射され、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 (34 単位は地球エネルギーから、14 単位は日射から) は、最終的に宇宙に放射されます。この単純化された例では、熱が再循環して蓄積され、それによって地表付近でさらに熱が蓄積されるメカニズムの詳細が一部無視されています。

最終的に65単位（地上から17単位、大気から48単位）がOLRとして放出されます。これらは太陽から吸収される65単位（ASR）とほぼバランスを取り、地球のエネルギー利得をゼロに維持します。^[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ある。これらは質量と熱容量がはるかに大きく、したがって熱慣性もはるかに大きい。放射が直接吸収されるか、表面温度が変化すると、熱エネルギーは伝導/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塊に流入または流出する。水の固体/液体/気体状態間の変化は、潜熱の形で位置エネルギーの供給源またはシンクとしても機能する。これらのプロセスは、大気中の急激な放射変化の一部に対して表面状態を緩衝する。その結果、表面温度の昼間と夜間の差は比較的小さい。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反応する。 ^[19]

地球の海面上数メートルには、地球の大気全体よりも多くの熱エネルギーが蓄えられています。^[20 ] 大気中のガスと同様に、流体の海水はそのようなエネルギーを地球の表面に大量に運びます。顕熱も、湧昇や下降に有利な条件下では深海に出入りします。^{[21] [22]}

1970年以降に進行している地球温暖化により地球上に蓄積された余分なエネルギーの90％以上が海洋に蓄えられています。^[20] 約3分の1が700メートル以下の深さまで伝播しています。全体的な増加率もここ数十年で上昇しており、2020年の時点で500TW（1W / m ^{2 ）近くに達しています。 [23] [5]} これにより、  年間 約14ゼタジュール（ZJ）の熱増加がもたらされ、人類が消費する一次エネルギーの総量570エクサジュール（=160,000TW-hr ^[14]）を少なくとも20倍上回ります。 ^[15]

一般的に言えば、地球のエネルギーフラックスバランスの変化は、外部強制力（自然および人為的、放射および非放射の両方）、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られます。^[24] このような変化は主に、気温（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）、および日射量（I）のわずかな変化などの観測可能な変化として表されます。地球の加熱/冷却率は、選択した時間枠（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。

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

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。^{[25] [23]}

近年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 ΔE _G強制項を正にする。対照的に、大規模な火山噴火（例：ピナツボ山 1991、エルチチョン1982 ）は硫黄含有化合物を上層大気に注入する可能性がある。成層圏硫黄エアロゾルの高濃度は最大数年間持続し、 ΔE _Aに負の強制寄与をもたらす。^{[26] [27]}その他のさまざまな種類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する。太陽周期は、人間の活動による最近の ΔE _G傾向よりも大きさが小さいΔE _{I を}生成する。^{[28] [29]}

気候強制力は複雑で、直接的または間接的なフィードバックを生成して元の強制力を強めたり（正のフィードバック）、弱めたり（負のフィードバック）することがある。これらは気温の反応に追随することが多い。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、気温変化に対して正のフィードバックとなる傾向がある。水蒸気が増加すると、温室効果がさらに強まるため、 ΔE _{Wが正になる。より遅い正のフィードバックは}、氷アルベドフィードバックである。たとえば、気温上昇により北極の氷が失われると、その地域の反射率が低下し、エネルギー吸収が増加して氷の融解速度がさらに速くなり、ΔE _Sに正の影響を与える。^[30] 全体として、フィードバックは地球温暖化または寒冷化を増幅する傾向がある。^{[31] : 94}

雲は地球のアルベドの約半分を占め、気候システムの内部変動を強力に表現しています。^{[32] [33]} また、雲は強制力へのフィードバックとして機能する可能性があり、たとえば雲の種まき活動の結果である場合は、雲自体が強制力になる可能性があります。ΔE _Cへの寄与は地域によって異なり、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。^[34]

地球のエネルギー不均衡（EEI）は、「気候システムの温室効果ガス強制力に関連する大気上端の持続的で正の（下向きの）純エネルギーフラックス」と定義されます。^{[2] ：2227}

地球の入ってくるエネルギー フラックス (ASR) が出ていくエネルギー フラックス (OLR) よりも大きいか小さい場合、地球はエネルギー保存の法則に従って正味の熱エネルギーを獲得 (温まる) または失う (冷える) ことになります。

${\displaystyle EEI\equiv ASR-OLR}$。

正のEEIは惑星全体の加熱率を定義し、通常は平方メートルあたりのワット数（W/m ²）で表されます。2005年から2019年の間に、地球のエネルギー不均衡は平均で約460 TW 、または^地球全体では平方メートルあたり0.90 ± 0.15 Wでした。^[1]

地球のエネルギー不均衡（EEI）が十分に大きく変化すると、その変化は軌道上の衛星に搭載された計測機器によって測定可能となる。^{[27] [35]} 時間の経過とともに回復しない不均衡は、気候システムの大気、海洋、陸地、氷の構成要素における長期的な温度変化も引き起こす。^[36] 気温、海面、氷の質量、および関連する変化は、EEIの尺度にもなる。^[5]

EEI の最も大きな変化は、人間の活動による大気の組成の変化から生じ、それによって気候システムを通るエネルギーの自然な流れが妨げられます。^[1] 主な変化は、二酸化炭素やその他の温室効果ガスの増加によるもので、これらは加熱 (正の EEI) と汚染を引き起こします。後者はさまざまな種類の大気エアロゾルを指し、その一部はエネルギーを吸収し、他のものはエネルギーを反射して冷却 (または EEI の低下) を引き起こします。  

衛星ベースの機器で観測される時間経過による変化は正確であると考えられていますが、大気圏上部で直接 EEI の絶対的な大きさを測定することは (まだ) 不可能です。EEIの絶対的な大きさを推定する唯一の実用的な方法は、気候システムにおけるエネルギーの変化の目録を作成することです。これらのエネルギー貯蔵庫の中で最大のものは海洋です。^[1]

気候システムに含まれる惑星の熱量は、各構成要素の熱容量、密度、温度分布から算出することができます。ほとんどの地域では現在、十分なサンプル採取と監視が行われていますが、最も大きな例外は深海です。^[38]

EEIの絶対的な大きさの推定値も、最近の数十年にわたる測定された気温の変化を使用して計算されています。2006年から2020年の期間のEEIは約+0.76 ± 0.2 W/m ²であり、平均よりも有意に増加した。1971年から2020年の期間では+0.48 ± 0.1 W/m ^{2であった。 [5]}

EEIがプラスである理由は、50年以上にわたってほぼすべての場所で気温が上昇しているためです。 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年ごとに約0.18℃の着実な上昇を遂げています。^[39]

海水は太陽エネルギーを吸収するのに特に効果的で、総熱容量は大気よりもはるかに大きい。^[40] 研究船や観測所は、1960年以前から世界中の深海で海水温を採取してきた。さらに、2000年以降は、約4000台のアルゴロボットフロートの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）を測定している。少なくとも1990年以降、OHCは着実に、または加速的に増加している。ΔOHCは、海洋がこれまで時間とともにシステムに入る純余剰エネルギーの90％以上を吸収してきたため、EEIの最大の部分を占めている（Δt）：^{[41] [42]}

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

地球の外殻と厚い氷に覆われた領域は、余剰エネルギーを比較的わずかにしか吸収していません。これは、表面の余分な熱が熱伝導によってのみ内部に流れ込むため、1日サイクルで数十センチメートル、1年サイクルで数十メートルしか浸透しないためです。^[43] 吸収された熱の多くは、氷や永久凍土を溶かすか、土壌からより多くの水を蒸発させることに使われます。

いくつかの衛星が地球に吸収され放射されるエネルギーを測定し、それによってエネルギーの不均衡を推測します。これらは大気圏上端（TOA）に位置し、地球全体の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、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。 ^[44]

NASAの雲と地球の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、太陽反射（短波長）と地球放射（長波長）の両方の放射を測定するように設計されている。^[46] CERESデータは、EEIが+0.42 ± 0.48 W/m ² 2005年から2019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、気温の上昇によって部分的に相殺されました。^{[23] [45]その後、} GFDL CM4/AM4気候モデルを使用してこの行動を調査したところ、内部の気候変動のみがこの傾向を引き起こした可能性は1％未満であると結論付けられました。^[47]

他の研究者は、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。彼らの分析では、強制力の上昇が示されました。2003年から2018年にかけて+0.53 ± 0.11 W/m ^2。増加の約80％は温室効果ガスの濃度上昇と関連しており、これにより放射される長波放射が減少した。^{[48] [49] [50]}

TRMMやCALIPSOデータを含むさらなる衛星測定では、蒸発（潜熱フラックス）によって地表から放出されるエネルギーの増加によって維持される追加の降水量が、地表への長波温室効果フラックスの増加の一部を相殺していることが示されている。^[51]

注目すべきは、放射測定の校正不確実性が、他の点では安定しており精度も高い現世代の衛星搭載機器の性能を制限していることである。その結果、EEIの相対的変化は、絶対不均衡の単一測定では達成できない精度で定量化できる。 ^{[52] [53]}

1994年以降の観測では、地球上のあらゆる場所から氷が加速度的に後退していることが示されています。^[55] 氷の融解と全体的な海水温の上昇により、地球の平均海面も同様に上昇しています。 ^[56] 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。

水圏と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によって推定された。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使用して、海面地形やさらなる水路観測と比較された。その結果得られたΔOHCと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た。^{[54] [57]}

気候科学者のケビン・トレンバース、ジェームズ・ハンセン、および同僚は、地球のエネルギー不均衡の監視が政策立案者が緩和策と適応策のペースを導くのに役立つ重要な指標であると特定しました。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、「パイプライン」にあるさらなる変化を予測することができます。^{[36] [58] [59]}

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、気候システムで作用するすべてのプロセスとフィードバックの最終的な結果です。^[1]余分なエネルギーが気象システムと降雨にどの程度影響するかを知ることは、異常気象の増加を理解するために不可欠です。^[1]

2012年、NASAの_{科学者らは、}地球温暖化を止めるには、他のすべての気候要因が一定であると仮定した場合、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。^[60] 2020年現在、大気中のCO2_は415ppmに達し、人間による排出量の継続的な増加により、すべての長寿命温室効果ガスは500ppmの_CO2相当濃度を超えている。 ^[61]

• ローレンツエネルギーサイクル
• 惑星の平衡温度
• 気候感度
• 気候システムの転換点
• 気候変動ポータル

ウィキメディア・コモンズには、地球のエネルギー収支に関連するメディアがあります。

• NASA: 大気のエネルギー予算
• 雲と地球の放射エネルギーシステム (CERES)
• NASA/GEWEX 地表放射線予算 (SRB) プロジェクト