El presupuesto energético de la Tierra

Contabilización de los flujos de energía que determinan la temperatura de la superficie de la Tierra e impulsan su clima.

El equilibrio y desequilibrio energético de la Tierra, que muestra adónde va el exceso de energía: la radiación saliente está disminuyendo debido al aumento de los gases de efecto invernadero en la atmósfera, lo que lleva a un desequilibrio energético de la Tierra de aproximadamente 460 TW. ^[1] También se indica el porcentaje destinado a cada dominio del sistema climático .

El presupuesto energético de la Tierra (o balance energético de la Tierra ) representa el equilibrio entre la energía que la Tierra recibe del Sol y la energía que la Tierra pierde hacia el espacio exterior . Se tienen en cuenta fuentes de energía más pequeñas, como el calor interno de la Tierra, pero su contribución es mínima en comparación con la energía solar. El presupuesto energético también explica cómo se mueve la energía a través del sistema climático . ^{[2] : 2227} El Sol calienta más los trópicos ecuatoriales que las regiones polares . Por tanto, la cantidad de irradiancia solar que recibe una determinada región se distribuye de forma desigual. A medida que la energía busca el equilibrio en todo el planeta, impulsa interacciones en el sistema climático de la Tierra, es decir, el agua , el hielo , la atmósfera , la corteza rocosa y todos los seres vivos de la Tierra . ^{[2] : 2224} El resultado es el clima de la Tierra .

El presupuesto energético de la Tierra depende de muchos factores, como los aerosoles atmosféricos , los gases de efecto invernadero , el albedo de la superficie , las nubes y los patrones de uso del suelo . Cuando los flujos de energía entrante y saliente están en equilibrio, la Tierra está en equilibrio radiativo y el sistema climático será relativamente estable. El calentamiento global ocurre cuando la Tierra recibe más energía de la que devuelve al espacio, y el enfriamiento global ocurre cuando la energía saliente es mayor. ^[3]

Múltiples tipos de mediciones y observaciones muestran un desequilibrio en el calentamiento desde al menos el año 1970. ^{[4] [5]} La tasa de calentamiento de este evento causado por el hombre no tiene precedentes. ^{[6] : 54} El origen principal de los cambios en la energía de la Tierra son los cambios inducidos por el hombre en la composición de la atmósfera. ^[1] Entre 2005 y 2019, el desequilibrio energético de la Tierra (EEI) promedió alrededor de 460 TW o, a nivel mundial, 0,90 ± 0,15 W por m ² . ^[1]

Se necesita tiempo para que cualquier cambio en el presupuesto energético dé lugar a cambios significativos en la temperatura de la superficie global . Esto se debe a la inercia térmica de los océanos , la tierra y la criósfera . ^[7] La ​​mayoría de los modelos climáticos realizan cálculos precisos de esta inercia, los flujos de energía y las cantidades de almacenamiento.

Definición

El presupuesto energético de la Tierra incluye los "principales flujos de energía de relevancia para el sistema climático". ^[2] Estos son "el presupuesto de energía en la parte superior de la atmósfera; el presupuesto de energía en la superficie; cambios en el inventario energético global y flujos internos de energía dentro del sistema climático". ^{[2] : 2227}

La energía de la Tierra fluye

La radiación de flujo de onda corta entrante en la parte superior de la atmósfera (TOA) muestra la energía recibida del Sol como se infiere de las mediciones de CERES (26 y 27 de enero de 2012). Las áreas blancas más brillantes muestran la mayor reflectividad (menor absorción) de la energía solar, mientras que las áreas azules más oscuras muestran la mayor absorción.

A pesar de las enormes transferencias de energía hacia y desde la Tierra, mantiene una temperatura relativamente constante porque, en conjunto, hay poca ganancia o pérdida neta: la Tierra emite a través de radiación atmosférica y terrestre (desviada a longitudes de onda electromagnéticas más largas) al espacio. aproximadamente la misma cantidad de energía que recibe a través de la insolación solar (todas las formas de radiación electromagnética).

El principal origen de los cambios en la energía de la Tierra son los cambios inducidos por el hombre en la composición de la atmósfera, que ascienden a unos 460 TW o globalmente 0,90 ± 0,15 W por m ² . ^[1]

Energía solar entrante (radiación de onda corta)

La cantidad total de energía recibida por segundo en la parte superior de la atmósfera terrestre (TOA) se mide en vatios y viene dada por la constante solar multiplicada por el área de la sección transversal de la Tierra correspondiente a la radiación. Debido a que el área de superficie de una esfera es cuatro veces el área de la sección transversal de una esfera (es decir, el área de un círculo), el flujo TOA promedio global y anual es un cuarto de la constante solar y, por lo tanto, es aproximadamente 340 vatios por metro cuadrado. (W/m2 ⁾ . ^{[8] [9]} Dado que la absorción varía según la ubicación, así como con las variaciones diurnas, estacionales y anuales, las cifras citadas son promedios de varios años obtenidos a partir de múltiples mediciones satelitales. ^[8]

De los ~340 W/m ² de radiación solar que recibe la Tierra, un promedio de ~77 W/m ² es reflejado de regreso al espacio por las nubes y la atmósfera y ~23 W/m ^{2 es reflejado por el} albedo de la superficie , dejando ~240 W/m ² de energía solar aportada al presupuesto energético de la Tierra. Esta cantidad se llama radiación solar absorbida (ASR). Implica un valor de aproximadamente 0,3 para el albedo neto medio de la Tierra, también llamado albedo de enlace (A): ^[8]

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

Radiación de onda larga saliente

Radiación de flujo de onda larga saliente en la parte superior de la atmósfera (26 y 27 de enero de 2012). La energía térmica irradiada desde la Tierra (en vatios por metro cuadrado) se muestra en tonos de amarillo, rojo, azul y blanco. Las áreas de color amarillo más brillante son las más calientes y emiten la mayor cantidad de energía al espacio, mientras que las áreas de color azul oscuro y las nubes blancas brillantes son mucho más frías y emiten la menor cantidad de energía.

La energía térmica abandona el planeta en forma de radiación de onda larga saliente (OLR). La radiación de onda larga es radiación térmica electromagnética emitida por la superficie y la atmósfera de la Tierra. La radiación de onda larga se encuentra en la banda infrarroja . Pero los términos no son sinónimos, ya que la radiación infrarroja puede ser de onda corta o de onda larga . La luz del sol contiene cantidades significativas de radiación infrarroja de onda corta . A veces se utiliza una longitud de onda umbral de 4 micrones para distinguir la radiación de onda larga y de onda corta.

Generalmente, la energía solar absorbida se convierte en diferentes formas de energía térmica. Parte de la energía solar absorbida por la superficie se convierte en radiación térmica en longitudes de onda en la " ventana atmosférica "; esta radiación puede atravesar la atmósfera sin obstáculos y escapar directamente al espacio, lo que contribuye a la OLR. El resto de la energía solar absorbida se transporta hacia arriba a través de la atmósfera a través de una variedad de mecanismos de transferencia de calor, hasta que la atmósfera emite esa energía como energía térmica que puede escapar al espacio, contribuyendo nuevamente a la OLR. Por ejemplo, el calor se transporta a la atmósfera mediante evapotranspiración y flujos de calor latente o procesos de conducción / convección , así como mediante transporte de calor radiativo. ^[8] En última instancia, toda la energía saliente se irradia al espacio en forma de radiación de onda larga.

El transporte de radiación de onda larga desde la superficie de la Tierra a través de su atmósfera de múltiples capas se rige por ecuaciones de transferencia radiativa como la ecuación de Schwarzschild para la transferencia radiativa (o ecuaciones más complejas si hay dispersión) y obedece la ley de radiación térmica de Kirchoff .

Un modelo de una capa produce una descripción aproximada de OLR que produce temperaturas en la superficie (T _s = 288  Kelvin ) y en el centro de la troposfera (T _a = 242 Kelvin) que están cercanas a los valores promedio observados: ^[10]

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

En esta expresión σ es la constante de Stefan-Boltzmann y ε representa la emisividad de la atmósfera, la cual es menor que 1 porque la atmósfera no emite dentro del rango de longitud de onda conocido como ventana atmosférica .

Los aerosoles, las nubes, el vapor de agua y los gases traza de efecto invernadero contribuyen a un valor efectivo de aproximadamente ε=0,78. La fuerte sensibilidad a la temperatura (cuarta potencia) mantiene un equilibrio cercano del flujo de energía saliente al flujo entrante a través de pequeños cambios en las temperaturas absolutas del planeta .

Aumento del efecto invernadero de la Tierra fuera de las nubes (2000-2022) según datos satelitales.

Vistos desde el espacio circundante de la Tierra, los gases de efecto invernadero influyen en la emisividad atmosférica del planeta (ε). Por tanto, los cambios en la composición atmosférica pueden alterar el equilibrio general de la radiación. Por ejemplo, un aumento en la captura de calor por una creciente concentración de gases de efecto invernadero (es decir, un mayor efecto invernadero ) fuerza una disminución en la OLR y un desequilibrio energético (restaurador) de calentamiento. ^[11] En última instancia, cuando la cantidad de gases de efecto invernadero aumenta o disminuye, las temperaturas de la superficie in situ aumentan o disminuyen hasta que la radiación solar absorbida es igual a la radiación de onda larga saliente, o la ASR es igual a OLR.

Las fuentes de calor internas de la Tierra y otros efectos menores

Se estima que el flujo de calor geotérmico desde el interior de la Tierra es de 47 teravatios (TW) ^[12] y se divide aproximadamente en partes iguales entre el calor radiogénico y el calor remanente de la formación de la Tierra. Esto corresponde a un flujo promedio de 0,087 W/m ² y representa sólo el 0,027% del presupuesto energético total de la Tierra en la superficie, siendo eclipsado por los 173.000 TW de radiación solar entrante . ^[13]

La producción humana de energía es aún menor, con un promedio de 18 TW, lo que corresponde a un estimado de 160 000 TW-hora, para todo el año 2019. ^[14] Sin embargo, el consumo está creciendo rápidamente y la producción de energía con combustibles fósiles también produce un aumento del efecto invernadero atmosférico. gases, provocando un desequilibrio más de 20 veces mayor en los flujos entrantes y salientes que se originan por la radiación solar. ^[15]

La fotosíntesis también tiene un efecto significativo: se estima que 140 TW (o alrededor del 0,08%) de la energía incidente es capturada por la fotosíntesis, dando energía a las plantas para producir biomasa . ^[16] Un flujo similar de energía térmica se libera en el transcurso de un año cuando las plantas se utilizan como alimento o combustible.

Otras fuentes menores de energía suelen ignorarse en los cálculos, incluida la acumulación de polvo interplanetario y el viento solar , la luz de estrellas distintas al Sol y la radiación térmica del espacio. Anteriormente, Joseph Fourier había afirmado que la radiación del espacio profundo era significativa en un artículo citado a menudo como el primero sobre el efecto invernadero . ^[17]

Análisis presupuestario

Un diagrama de Sankey que ilustra un ejemplo equilibrado del presupuesto energético de la Tierra. El grosor de la línea es linealmente proporcional a la cantidad relativa de energía. ^[18]

En términos más simples, el presupuesto energético de la Tierra está equilibrado cuando el flujo entrante es igual al flujo saliente. Dado que una parte de la energía entrante se refleja directamente, el equilibrio también se puede expresar como radiación solar entrante (de onda corta) absorbida igual a radiación de onda larga saliente:

${\displaystyle ASR=OLR.}$

Análisis de flujo interno

Para describir algunos de los flujos internos dentro del presupuesto, supongamos que la insolación recibida en la parte superior de la atmósfera sea 100 unidades (=340 W/m ² ), como se muestra en el diagrama de Sankey adjunto. Llamado albedo de la Tierra, alrededor de 35 unidades en este ejemplo se reflejan directamente hacia el espacio: 27 desde la parte superior de las nubes, 2 desde áreas cubiertas de nieve y hielo, y 6 desde otras partes de la atmósfera. Las 65 unidades restantes (ASR=220 W/m ² ) son absorbidas: 14 en la atmósfera y 51 en la superficie terrestre.

Las 51 unidades que llegan a la superficie y son absorbidas por ella se emiten de vuelta al espacio a través de diversas formas de energía terrestre: 17 se irradian directamente al espacio y 34 son absorbidas por la atmósfera (19 mediante calor latente de vaporización , 9 mediante convección y turbulencia, y 6 absorbidas). infrarrojos por gases de efecto invernadero ). Las 48 unidades absorbidas por la atmósfera (34 unidades de energía terrestre y 14 de la insolación) finalmente se irradian de regreso al espacio. Este ejemplo simplificado ignora algunos detalles de los mecanismos que recirculan, almacenan y, por lo tanto, conducen a una mayor acumulación de calor cerca de la superficie.

Al final, las 65 unidades (17 procedentes de la Tierra y 48 de la atmósfera) se emiten como OLR. Equilibran aproximadamente las 65 unidades (ASR) absorbidas del sol para mantener una ganancia neta de energía nula por parte de la Tierra. ^[18]

Depósitos de almacenamiento de calor

La creciente acumulación de energía en los componentes oceánicos, terrestres, helados y atmosféricos del sistema climático de la Tierra desde 1960. ^[5]

La tierra, el hielo y los océanos son componentes materiales activos del sistema climático de la Tierra junto con la atmósfera. Tienen mucha mayor masa y capacidad calorífica y, por tanto, mucha más inercia térmica . Cuando la radiación se absorbe directamente o la temperatura de la superficie cambia, la energía térmica fluirá como calor sensible hacia adentro o hacia afuera de la masa total de estos componentes a través de procesos de transferencia de calor por conducción/convección . La transformación del agua entre sus estados sólido/líquido/vapor también actúa como fuente o sumidero de energía potencial en forma de calor latente . Estos procesos amortiguan las condiciones de la superficie contra algunos de los rápidos cambios radiativos en la atmósfera. Como resultado, la diferencia entre las temperaturas de la superficie entre el día y la noche es relativamente pequeña. Asimismo, el sistema climático de la Tierra en su conjunto muestra una respuesta lenta a los cambios en el equilibrio de la radiación atmosférica. ^[19]

Los pocos metros superiores de los océanos de la Tierra albergan más energía térmica que toda su atmósfera. ^[20] Al igual que los gases atmosféricos, las aguas fluídicas del océano transportan grandes cantidades de dicha energía sobre la superficie del planeta. El calor sensible también entra y sale de grandes profundidades en condiciones que favorecen la surgencia o descendente . ^{[21] [22]}

Más del 90 por ciento de la energía adicional que se ha acumulado en la Tierra debido al actual calentamiento global desde 1970 se ha almacenado en el océano . ^[20] Aproximadamente un tercio se ha propagado a profundidades inferiores a 700 metros. La tasa general de crecimiento también ha aumentado durante las últimas décadas, alcanzando cerca de 500 TW (1 W/m ² ) en 2020. ^{[23] [5]} Eso llevó a alrededor de 14  zettajulios  (ZJ) de ganancia de calor para el año. superando los 570  exajulios (= 160.000 TW-h ^[14] ) de energía primaria total consumida por los seres humanos por un factor de al menos 20. ^[15]

Análisis de tasa de calentamiento/enfriamiento

En términos generales, se puede considerar que los cambios en el equilibrio del flujo de energía de la Tierra son el resultado de forzamientos externos (tanto naturales como antropogénicos, radiativos y no radiativos), retroalimentaciones del sistema y variabilidad interna del sistema . ^[24] Dichos cambios se expresan principalmente como cambios observables en la temperatura (T), las nubes (C), el vapor de agua (W), los aerosoles (A), los gases traza de efecto invernadero (G), la reflectancia de la superficie de la tierra/océano/hielo (S). , y como cambios menores en la insolación (I), entre otros posibles factores. Luego, la tasa de calentamiento/enfriamiento de la Tierra se puede analizar en períodos de tiempo seleccionados (Δt) como el cambio neto en energía (ΔE) asociado con estos atributos:

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

Aquí el término ΔET _, correspondiente a la respuesta de Planck , tiene un valor negativo cuando la temperatura aumenta debido a su fuerte influencia directa sobre la OLR. ^{[25] [23]}

El reciente aumento de trazas de gases de efecto invernadero produce un efecto invernadero mejorado y, por lo tanto, un término de forzamiento ΔE _G positivo. Por el contrario, una gran erupción volcánica (por ejemplo, el Monte Pinatubo 1991 , El Chichón 1982) puede inyectar compuestos que contienen azufre en la atmósfera superior. Las altas concentraciones de aerosoles de azufre estratosféricos pueden persistir durante unos pocos años, lo que produce una contribución de forzamiento negativo a ΔE _A. ^{[26] [27]} Varios otros tipos de emisiones antropogénicas de aerosoles contribuyen tanto positiva como negativamente a ΔE _A. Los ciclos solares producen ΔE _I de magnitud menor que las tendencias recientes de ΔE _G derivadas de la actividad humana. ^{[28] [29]}

Los forzamientos climáticos son complejos ya que pueden producir retroalimentaciones directas e indirectas que intensifican ( retroalimentación positiva ) o debilitan ( retroalimentación negativa ) el forzamiento original. Estos suelen seguir la respuesta de la temperatura. "Tendencias del vapor de agua como retroalimentación positiva con respecto a los cambios de temperatura debido a cambios de evaporación y la relación Clausius-Clapeyron" . Un aumento del vapor de agua da como resultado un ΔE _W positivo debido a una mayor intensificación del efecto invernadero. Una retroalimentación positiva más lenta es la retroalimentación del albedo del hielo . Por ejemplo, la pérdida de hielo del Ártico debido al aumento de las temperaturas hace que la región sea menos reflectante, lo que lleva a una mayor absorción de energía y a velocidades de derretimiento del hielo aún más rápidas, lo que influye positivamente en ΔE _S. ^[30] En conjunto, las retroalimentaciones tienden a amplificar el calentamiento o el enfriamiento global. ^{[31] : 94}

Las nubes son responsables de aproximadamente la mitad del albedo de la Tierra y son poderosas expresiones de la variabilidad interna del sistema climático. ^{[32] [33]} También pueden actuar como retroalimentación de los forzamientos y podrían ser forzamientos en sí mismos si, por ejemplo, son el resultado de la actividad de siembra de nubes . Las contribuciones a ΔE _C varían regionalmente y dependiendo del tipo de nube. Las mediciones de los satélites se recopilan junto con simulaciones de modelos en un esfuerzo por mejorar la comprensión y reducir la incertidumbre. ^[34]

Desequilibrio energético de la Tierra (EEI)

El presupuesto energético de la Tierra (en W/m ² ) determina el clima. Es el equilibrio de la radiación entrante y saliente y puede medirse mediante satélites. El desequilibrio energético de la Tierra es la cantidad de energía "neta absorbida" y creció de +0,6 W/m ² (estimación de 2009 ^[8] ) a más de +1,0 W/m ² en 2019. ^[23]

El desequilibrio energético de la Tierra (EEI) se define como "el flujo neto persistente y positivo (hacia abajo) de energía de la atmósfera asociado con el forzamiento del sistema climático por gases de efecto invernadero". ^{[2] : 2227}

Si el flujo de energía entrante (ASR) de la Tierra es mayor o menor que el flujo de energía saliente (OLR), entonces el planeta ganará (calentará) o perderá (enfriará) energía térmica neta de acuerdo con la ley de conservación de la energía :

${\displaystyle EEI\equiv ASR-OLR}$.

Por tanto, el EEI positivo define la tasa general de calentamiento planetario y normalmente se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m ² ). Entre 2005 y 2019, el desequilibrio energético de la Tierra promedió unos 460 TW o, a nivel mundial, 0,90 ± 0,15 W por m ² . ^[1]

Cuando el desequilibrio energético de la Tierra (EEI) cambia en una cantidad suficientemente grande, el cambio se puede medir mediante instrumentos en órbita basados ​​en satélites. ^{[27] [35]} Los desequilibrios que no se revierten con el tiempo también impulsarán cambios de temperatura a largo plazo en los componentes atmosférico, oceánico, terrestre y de hielo del sistema climático. ^[36] La temperatura, el nivel del mar, la masa de hielo y los cambios relacionados también proporcionan medidas de EEI. ^[5]

Los mayores cambios en la EEI surgen de cambios en la composición de la atmósfera debido a las actividades humanas, interfiriendo así con el flujo natural de energía a través del sistema climático. ^[1]  Los principales cambios provienen del aumento del dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero, que producen calefacción (EEI positivo), y de la contaminación. Este último se refiere a aerosoles atmosféricos de diversos tipos, algunos de los cuales absorben energía mientras que otros reflejan energía y producen enfriamiento (o EEI más bajo).  

No es (todavía) posible medir la magnitud absoluta de EEI directamente en la parte superior de la atmósfera, aunque se cree que los cambios a lo largo del tiempo observados por instrumentos satelitales son precisos. La única forma práctica de estimar la magnitud absoluta de la EEI es mediante un inventario de los cambios de energía en el sistema climático. La mayor de estas reservas de energía es el océano. ^[1]

Evaluaciones de inventario de energía

El contenido de calor planetario que reside en el sistema climático se puede compilar dada la capacidad calorífica, la densidad y las distribuciones de temperatura de cada uno de sus componentes. La mayoría de las regiones ahora están razonablemente bien muestreadas y monitoreadas, con la excepción más significativa de las profundidades del océano. ^[37]

Dibujo esquemático del exceso de calor y del desequilibrio energético de la Tierra durante dos períodos de tiempo recientes. ^[5]

Asimismo, se han calculado estimaciones de la magnitud absoluta del EEI utilizando los cambios de temperatura medidos durante intervalos de tiempo recientes de varias décadas. Para el período 2006 a 2020, la EEI fue de aproximadamente+0,76 ± 0,2 W/m ² y mostró un aumento significativo por encima de la media de+0,48 ± 0,1 W/m ² para el período 1971 a 2020. ^[5]

La EEI ha sido positiva porque las temperaturas han aumentado en casi todas partes durante más de 50 años. La temperatura superficial global (GST) se calcula promediando las temperaturas medidas en la superficie del mar junto con las temperaturas del aire medidas sobre la tierra. Datos fiables que se extienden al menos hasta 1880 muestran que el GST ha experimentado un aumento constante de aproximadamente 0,18 °C por década desde aproximadamente el año 1970. ^[38]

Las aguas del océano son absorbentes especialmente eficaces de la energía solar y tienen una capacidad calorífica total mucho mayor que la atmósfera. ^[39] Los buques y estaciones de investigación han tomado muestras de las temperaturas del mar en profundidad y en todo el mundo desde antes de 1960. Además, después del año 2000, una red en expansión de casi 4000 flotadores robóticos Argo ha medido la anomalía de la temperatura, o equivalentemente, el cambio en el contenido de calor del océano. (ΔOHC). Desde al menos 1990, el OHC ha aumentado a un ritmo constante o acelerado. ΔOHC representa la porción más grande de EEI ya que hasta ahora los océanos han absorbido más del 90% del exceso neto de energía que ingresa al sistema a lo largo del tiempo (Δt): ^{[40] [41]}

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

La corteza exterior de la Tierra y las gruesas regiones cubiertas de hielo han absorbido relativamente poco del exceso de energía. Esto se debe a que el exceso de calor en sus superficies fluye hacia el interior únicamente por conducción térmica y, por tanto, penetra sólo unas decenas de centímetros en el ciclo diario y sólo unas decenas de metros en el ciclo anual. ^[42] Gran parte del calor absorbido se destina al derretimiento del hielo y el permafrost o a la evaporación de más agua de los suelos.

Mediciones en la parte superior de la atmósfera (TOA)

Varios satélites miden la energía absorbida e irradiada por la Tierra y, por tanto, por inferencia, el desequilibrio energético. Estos se encuentran en la parte superior de la atmósfera (TOA) y proporcionan datos que cubren todo el mundo. El proyecto del Experimento de Presupuesto de Radiación de la Tierra (ERBE) de la NASA involucró tres de estos satélites: el Satélite de Presupuesto de Radiación de la Tierra (ERBS), lanzado en octubre de 1984; NOAA-9, lanzado en diciembre de 1984; y NOAA-10, lanzado en septiembre de 1986. ^[43]

El crecimiento del desequilibrio energético de la Tierra a partir de mediciones satelitales e in situ (2005-2019). Una tasa de +1,0 W/m ² sumada sobre la superficie del planeta equivale a una absorción continua de calor de unos 500  teravatios (~0,3% de la radiación solar incidente). ^{[23] [44]}

Los instrumentos de la NASA sobre las Nubes y el Sistema de Energía Radiante de la Tierra (CERES) forman parte de su Sistema de Observación de la Tierra (EOS) desde marzo de 2000. CERES está diseñado para medir tanto la radiación solar reflejada (longitud de onda corta) como la emitida por la Tierra (longitud de onda larga). ^[45] Los datos de CERES mostraron aumentos en el EEI de+0,42 ± 0,48 W/m ² en 2005 a+1,12 ± 0,48 W/m ² en 2019. Los factores que contribuyeron incluyeron más vapor de agua, menos nubes, aumento de los gases de efecto invernadero y disminución del hielo, que fueron parcialmente compensados ​​por el aumento de las temperaturas. ^{[23] [44]} La investigación posterior del comportamiento utilizando el modelo climático GFDL CM4/AM4 concluyó que había menos del 1% de probabilidad de que la variabilidad climática interna por sí sola causara la tendencia. ^[46]

Otros investigadores han utilizado datos de CERES, AIRS , CloudSat y otros instrumentos EOS para buscar tendencias de forzamiento radiativo integrado en los datos EEI. Su análisis mostró un aumento forzoso de+0,53 ± 0,11 W/m ² entre los años 2003 y 2018. Aproximadamente el 80% del aumento se asoció con la creciente concentración de gases de efecto invernadero que redujeron la radiación de onda larga saliente. ^{[47] [48] [49]}

Otras mediciones satelitales, incluidos los datos de TRMM y CALIPSO , han indicado precipitaciones adicionales, que se sustentan en un aumento de energía que sale de la superficie a través de la evaporación (el flujo de calor latente), compensando parte del aumento en el flujo de efecto invernadero de onda larga hacia la superficie. ^[50]

Cabe señalar que las incertidumbres de la calibración radiométrica limitan la capacidad de la generación actual de instrumentos basados ​​en satélites, que por lo demás son estables y precisos . Como resultado, los cambios relativos en el EEI son cuantificables con una precisión que tampoco se puede lograr con ninguna medición única del desequilibrio absoluto. ^{[51] [52]}

Levantamientos geodésicos e hidrográficos.

Estimaciones del calentamiento de la Tierra a partir de una combinación de altimetría espacial y gravimetría espacial . ^[53]

Las observaciones realizadas desde 1994 muestran que el hielo se ha retirado de todas partes de la Tierra a un ritmo acelerado. ^[54] El nivel medio global del mar también ha aumentado como consecuencia del derretimiento del hielo en combinación con el aumento general de las temperaturas del océano. ^[55] Estos cambios han contribuido a cambios mensurables en la forma geométrica y la gravedad del planeta.

Los cambios en la distribución masiva del agua dentro de la hidrosfera y la criosfera se han deducido utilizando observaciones gravimétricas realizadas por los instrumentos satelitales GRACE . Estos datos se han comparado con la topografía de la superficie del océano y otras observaciones hidrográficas utilizando modelos computacionales que tienen en cuenta la expansión térmica, los cambios de salinidad y otros factores. Las estimaciones así obtenidas para ΔOHC y EEI coinciden con las otras evaluaciones (en su mayoría) independientes dentro de las incertidumbres. ^{[53] [56]}

Importancia como métrica del cambio climático

Los científicos del clima Kevin Trenberth , James Hansen y sus colegas han identificado el monitoreo del desequilibrio energético de la Tierra como una métrica importante para ayudar a los formuladores de políticas a guiar el ritmo de las medidas de mitigación y adaptación . Debido a la inercia del sistema climático , las tendencias a largo plazo del EEI (desequilibrio energético de la Tierra) pueden pronosticar cambios adicionales que están "en proceso". ^{[36] [57] [58]}

Los científicos descubrieron que el EEI es la métrica más importante relacionada con el cambio climático. Es el resultado neto de todos los procesos y retroalimentaciones en juego en el sistema climático. ^[1] Saber cuánta energía adicional afecta a los sistemas climáticos y a las precipitaciones es vital para comprender los crecientes extremos climáticos. ^[1]

En 2012, los científicos de la NASA informaron que para detener el calentamiento global la concentración de CO ₂ atmosférico tendría que reducirse a 350 ppm o menos, suponiendo que se solucionaran todos los demás forzamientos climáticos. ^[59] A partir de 2020, el CO ₂ atmosférico alcanzó las 415 ppm y todos los gases de efecto invernadero de larga vida excedieron una concentración equivalente de CO ₂ de 500 ppm debido al crecimiento continuo de las emisiones humanas. ^[60]

Ver también

• ciclo energético de lorenz
• Temperatura de equilibrio planetario
• Sensibilidad climática
• Puntos de inflexión en el sistema climático
• Portal de cambio climático

Referencias

1. Trenberth, Kevin E; Cheng, Lijing (1 de septiembre de 2022). "Una perspectiva sobre el cambio climático a partir del desequilibrio energético de la Tierra". Investigación Ambiental: Clima . 1 (1): 013001. doi : 10.1088/2752-5295/ac6f74 . ISSN  2752-5295. El texto fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.
2. IPCC, 2021: Anexo VII: Glosario [Matthews, JBR, V. Möller, R. van Diemen, JS Fuglestvedt, V. Masson-Delmotte, C. Méndez, S. Semenov, A. Reisinger (eds.)]. En Cambio climático 2021: la base de la ciencia física. Contribución del Grupo de Trabajo I al Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, SL Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, MI Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, JBR Matthews, TK Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu y B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, EE. UU., págs. 2215–2256, doi:10.1017/9781009157896.022.
3. "Clima y presupuesto energético de la Tierra". Earthobservatory.nasa.gov . 14 de enero de 2009 . Consultado el 5 de agosto de 2019 .
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enlaces externos

• NASA: El presupuesto energético de la atmósfera
• Las nubes y el sistema de energía radiante de la Tierra (CERES)
• Proyecto de presupuesto de radiación superficial (SRB) de NASA/GEWEX