ميزانية الطاقة للأرض

ميزانية طاقة الأرض (أو توازن طاقة الأرض ) هي التوازن بين الطاقة التي تتلقاها الأرض من الشمس والطاقة التي تفقدها الأرض مرة أخرى في الفضاء الخارجي . تؤخذ مصادر الطاقة الأصغر، مثل الحرارة الداخلية للأرض، في الاعتبار، ولكنها تقدم مساهمة ضئيلة مقارنة بالطاقة الشمسية. تأخذ ميزانية الطاقة أيضًا في الاعتبار كيفية انتقال الطاقة عبر نظام المناخ . ^{[2] : 2227} تسخن الشمس المناطق الاستوائية أكثر من المناطق القطبية . لذلك، فإن كمية الإشعاع الشمسي التي تتلقاها منطقة معينة موزعة بشكل غير متساوٍ. وبينما تسعى الطاقة إلى تحقيق التوازن عبر الكوكب، فإنها تدفع التفاعلات في نظام مناخ الأرض ، أي مياه الأرض والجليد والغلاف الجوي والقشرة الصخرية وجميع الكائنات الحية . ^{[2] : 2224} والنتيجة هي مناخ الأرض .

تعتمد ميزانية طاقة الأرض على العديد من العوامل، مثل الهباء الجوي والغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي وبياض السطح والسحب وأنماط استخدام الأراضي . عندما تكون تدفقات الطاقة الواردة والصادرة متوازنة، تكون الأرض في حالة توازن إشعاعي وسيكون نظام المناخ مستقرًا نسبيًا . يحدث الانحباس الحراري العالمي عندما تتلقى الأرض طاقة أكبر مما تعيده إلى الفضاء، ويحدث التبريد العالمي عندما تكون الطاقة الصادرة أكبر. ^[3]

تظهر أنواع متعددة من القياسات والملاحظات اختلالًا في الاحترار منذ عام 1970 على الأقل. ^{[4] [5]} معدل التسخين الناتج عن هذا الحدث الناجم عن الإنسان غير مسبوق. ^{[6] : 54} الأصل الرئيسي للتغيرات في طاقة الأرض هو من التغيرات التي يسببها الإنسان في تكوين الغلاف الجوي. ^[1] خلال الفترة من 2005 إلى 2019 بلغ متوسط ​​اختلال توازن طاقة الأرض (EEI) حوالي 460  تيراوات أو عالميًا0.90 ± 0.15 واط/م ² . ^[1]

يستغرق الأمر بعض الوقت حتى تؤدي أي تغييرات في ميزانية الطاقة إلى أي تغييرات كبيرة في درجة حرارة السطح العالمية . ويرجع هذا إلى القصور الذاتي الحراري للمحيطات والأرض والغلاف الجليدي . ^[7] تجري معظم نماذج المناخ حسابات دقيقة لهذا القصور الذاتي وتدفقات الطاقة وكميات التخزين.

تتضمن ميزانية الطاقة على الأرض "تدفقات الطاقة الرئيسية ذات الصلة بنظام المناخ". ^[2] وهي "ميزانية الطاقة في أعلى الغلاف الجوي؛ وميزانية الطاقة على السطح؛ والتغيرات في مخزون الطاقة العالمي والتدفقات الداخلية للطاقة داخل نظام المناخ". ^{[2] : 2227}

وعلى الرغم من عمليات النقل الهائلة للطاقة إلى داخل الأرض ومنها، فإنها تحافظ على درجة حرارة ثابتة نسبيا، وذلك لأن المكاسب أو الخسائر الصافية ضئيلة في المجمل: إذ تبعث الأرض عبر الإشعاع الجوي والأرضي (الذي يتحول إلى أطوال موجية كهرومغناطيسية أطول) إلى الفضاء نفس كمية الطاقة التي تتلقاها عبر أشعة الشمس (جميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي).

إن المصدر الرئيسي للتغيرات في طاقة الأرض هو التغيرات التي يسببها الإنسان في تكوين الغلاف الجوي، والتي تبلغ حوالي 460 تيراوات أو ما يعادلها عالميا.0.90 ± 0.15 واط/م ² . ^[1]

يتم قياس إجمالي كمية الطاقة المستلمة في الثانية عند أعلى الغلاف الجوي للأرض (TOA) بالواط ويتم تحديدها بواسطة الثابت الشمسي مضروبًا في مساحة المقطع العرضي للأرض المقابلة للإشعاع. نظرًا لأن مساحة سطح الكرة تساوي أربعة أضعاف مساحة المقطع العرضي للكرة (أي مساحة الدائرة)، فإن متوسط ​​تدفق TOA العالمي والسنوي هو ربع الثابت الشمسي وبالتالي فهو حوالي 340 واط لكل متر مربع (W/m ² ). ^{[8] [9]} نظرًا لأن الامتصاص يختلف باختلاف الموقع وكذلك مع الاختلافات اليومية والموسمية والسنوية، فإن الأرقام المذكورة هي متوسطات متعددة السنوات تم الحصول عليها من قياسات متعددة للأقمار الصناعية. ^[8]

من بين حوالي 340 واط/م ² من الإشعاع الشمسي الذي تتلقاه الأرض، ينعكس في المتوسط ​​حوالي 77 واط/م ² إلى الفضاء بواسطة السحب والغلاف الجوي وينعكس حوالي 23 واط/م ^{2 بواسطة} البياض السطحي ، مما يترك حوالي 240 واط/م ² من مدخلات الطاقة الشمسية لميزانية طاقة الأرض. تسمى هذه الكمية بالإشعاع الشمسي الممتص (ASR). وهذا يعني قيمة تبلغ حوالي 0.3 لمتوسط ​​البياض الصافي للأرض، والذي يسمى أيضًا البياض الرابط (A): ^[8]

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

تخرج الطاقة الحرارية من الكوكب في شكل إشعاع طويل الموجة (OLR) الصادر . الإشعاع طويل الموجة هو الإشعاع الحراري الكهرومغناطيسي المنبعث من سطح الأرض والغلاف الجوي. يقع الإشعاع طويل الموجة في نطاق الأشعة تحت الحمراء . لكن المصطلحين ليسا مترادفين، حيث يمكن أن يكون الإشعاع تحت الأحمر إما موجة قصيرة أو موجة طويلة . يحتوي ضوء الشمس على كميات كبيرة من الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة . يُستخدم أحيانًا طول موجي عتبة يبلغ 4 ميكرون للتمييز بين الإشعاع الموجي الطويل والموجات القصيرة.

بشكل عام، يتم تحويل الطاقة الشمسية الممتصة إلى أشكال مختلفة من الطاقة الحرارية. يتم تحويل بعض الطاقة الشمسية التي يمتصها السطح إلى إشعاع حراري بأطوال موجية في " نافذة الغلاف الجوي "؛ هذا الإشعاع قادر على المرور عبر الغلاف الجوي دون عوائق والهروب مباشرة إلى الفضاء، مما يساهم في OLR. يتم نقل ما تبقى من الطاقة الشمسية الممتصة إلى أعلى عبر الغلاف الجوي من خلال مجموعة متنوعة من آليات نقل الحرارة، حتى ينبعث من الغلاف الجوي تلك الطاقة كطاقة حرارية قادرة على الهروب إلى الفضاء، مما يساهم مرة أخرى في OLR. على سبيل المثال، يتم نقل الحرارة إلى الغلاف الجوي عن طريق التبخر والنتح وتدفقات الحرارة الكامنة أو عمليات التوصيل / الحمل الحراري ، وكذلك عن طريق نقل الحرارة الإشعاعي. ^[8] في النهاية، يتم إشعاع كل الطاقة الصادرة إلى الفضاء في شكل إشعاع طويل الموجة.

يتم التحكم في نقل الإشعاع الموجي الطويل من سطح الأرض عبر الغلاف الجوي متعدد الطبقات بواسطة معادلات النقل الإشعاعي مثل معادلة شوارزشيلد للنقل الإشعاعي (أو معادلات أكثر تعقيدًا في حالة وجود التشتت) ويتبع قانون كيرشوف للإشعاع الحراري .

ينتج نموذج الطبقة الواحدة وصفًا تقريبيًا لـ OLR والذي يعطي درجات حرارة على السطح (T _s = 288  Kelvin ) وفي منتصف طبقة التروبوسفير ( T _a = 242 K) والتي تقترب من القيم المتوسطة المرصودة: ^[10]

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

في هذا التعبير، σ هو ثابت ستيفان بولتزمان و ε يمثل انبعاثية الغلاف الجوي، والتي تكون أقل من 1 لأن الغلاف الجوي لا يصدر ضمن نطاق الطول الموجي المعروف باسم النافذة الجوية .

تساهم الهباء الجوي والسحب وبخار الماء والغازات المسببة للانحباس الحراري في قيمة فعّالة تبلغ نحو ε = 0.78 . تحافظ الحساسية القوية (القوة الرابعة) لدرجة الحرارة على توازن شبه متوازن بين تدفق الطاقة الخارجة والتدفق الوارد من خلال تغييرات صغيرة في درجات الحرارة المطلقة للكوكب .

كما يُنظر إليه من الفضاء المحيط بالأرض، تؤثر الغازات المسببة للانحباس الحراري على انبعاثية الغلاف الجوي للكوكب ( ε ). وبالتالي، يمكن للتغيرات في التركيب الجوي أن تحول التوازن الإشعاعي الإجمالي. على سبيل المثال، تؤدي الزيادة في حبس الحرارة بسبب التركيز المتزايد للغازات المسببة للانحباس الحراري (أي تأثير الاحتباس الحراري المعزز ) إلى انخفاض في OLR واختلال توازن الطاقة المسببة للاحترار (الترميمية). ^[11] في النهاية، عندما تزداد أو تقل كمية الغازات المسببة للانحباس الحراري، ترتفع أو تنخفض درجات حرارة السطح في الموقع حتى يساوي الإشعاع الشمسي الممتص الإشعاع الموجي الطويل الصادر، أو يساوي ASR OLR.

يُقدَّر تدفق الحرارة الجوفية من باطن الأرض بنحو 47 تيراواط (TW) ^[12] وينقسم بالتساوي تقريبًا بين الحرارة الإشعاعية والحرارة المتبقية من تكوين الأرض. وهذا يتوافق مع تدفق متوسط ​​يبلغ 0.087 واط/م ² ويمثل 0.027% فقط من إجمالي ميزانية الطاقة للأرض على السطح، وهو ما يتضاءل مقارنة بـ173000  تيراوات من الإشعاع الشمسي الوارد . ^[13]

إن الإنتاج البشري للطاقة أقل من ذلك بكثير، حيث يبلغ في المتوسط ​​18 تيراوات، وهو ما يعادل 160 ألف تيراوات في الساعة، طوال عام 2019. ^[14] ومع ذلك، فإن الاستهلاك ينمو بسرعة، كما أن إنتاج الطاقة باستخدام الوقود الأحفوري ينتج عنه أيضًا زيادة في غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى اختلال التوازن في التدفقات الواردة/الصادرة التي تنشأ عن الإشعاع الشمسي بما يزيد عن 20 مرة. ^[15]

كما أن عملية التمثيل الضوئي لها تأثير كبير: حيث يتم التقاط ما يقدر بنحو 140 تيراوات (أو حوالي 0.08%) من الطاقة الواردة عن طريق عملية التمثيل الضوئي، مما يمنح النباتات الطاقة لإنتاج الكتلة الحيوية . ^[16] يتم إطلاق تدفق مماثل من الطاقة الحرارية على مدار العام عندما تُستخدم النباتات كغذاء أو وقود.

عادةً ما يتم تجاهل مصادر الطاقة الثانوية الأخرى في الحسابات، بما في ذلك تراكم الغبار بين الكواكب والرياح الشمسية والضوء من النجوم الأخرى غير الشمس والإشعاع الحراري من الفضاء. في وقت سابق، ادعى جوزيف فورييه أن الإشعاع الفضائي العميق كان مهمًا في ورقة بحثية غالبًا ما يُستشهد بها باعتبارها الأولى حول تأثير الاحتباس الحراري . ^[17]

بأبسط العبارات، تتوازن ميزانية طاقة الأرض عندما يتساوى التدفق الوارد مع التدفق الصادر. ونظرًا لأن جزءًا من الطاقة الواردة ينعكس بشكل مباشر، فيمكن أيضًا التعبير عن التوازن على أنه إشعاع شمسي وارد (موجات قصيرة) ممتص يساوي إشعاع موجات طويلة الصادر:

${\displaystyle ASR=OLR.}$

لوصف بعض التدفقات الداخلية داخل الميزانية، دع الإشعاع الشمسي الذي يتم استقباله في أعلى الغلاف الجوي يكون 100 وحدة (= 340 واط/م ² )، كما هو موضح في مخطط سانكي المصاحب. يُطلق على هذا المثال اسم بياض الأرض، حيث تنعكس حوالي 35 وحدة مباشرة إلى الفضاء: 27 من أعلى السحب، و2 من المناطق المغطاة بالثلوج والجليد، و6 من أجزاء أخرى من الغلاف الجوي. يتم امتصاص الوحدات المتبقية البالغ عددها 65 وحدة (ASR = 220 واط/م ² ): 14 داخل الغلاف الجوي و51 بواسطة سطح الأرض.

تصل الوحدات الـ 51 التي يمتصها السطح وتنطلق مرة أخرى إلى الفضاء من خلال أشكال مختلفة من الطاقة الأرضية: 17 وحدة تشع مباشرة إلى الفضاء و34 وحدة يمتصها الغلاف الجوي (19 وحدة من خلال الحرارة الكامنة للتبخر ، و9 وحدات عن طريق الحمل الحراري والاضطراب، و6 وحدات تمتصها غازات الدفيئة بالأشعة تحت الحمراء ). ثم تشع الوحدات الـ 48 التي يمتصها الغلاف الجوي (34 وحدة من الطاقة الأرضية و14 وحدة من أشعة الشمس) أخيرًا إلى الفضاء. يهمل هذا المثال المبسّط بعض تفاصيل الآليات التي تعيد تدوير الحرارة وتخزينها وبالتالي تؤدي إلى تراكم أكبر للحرارة بالقرب من السطح.

في النهاية، يتم إطلاق 65 وحدة (17 من الأرض و48 من الغلاف الجوي) على هيئة OLR. وهي توازن تقريبًا 65 وحدة (ASR) الممتصة من الشمس من أجل الحفاظ على صافي اكتساب الطاقة من الأرض. ^[18]

الأرض والجليد والمحيطات هي مكونات مادية نشطة لنظام مناخ الأرض جنبًا إلى جنب مع الغلاف الجوي. لديهم كتلة وسعة حرارية أكبر بكثير ، وبالتالي فإن القصور الحراري أكبر بكثير . عندما يتم امتصاص الإشعاع مباشرة أو تتغير درجة حرارة السطح، ستتدفق الطاقة الحرارية كحرارة محسوسة إما إلى أو خارج الكتلة الكلية لهذه المكونات عبر عمليات نقل الحرارة بالتوصيل / الحمل الحراري . يعمل تحول الماء بين حالاته الصلبة / السائلة / البخارية أيضًا كمصدر أو مصرف للطاقة الكامنة في شكل حرارة كامنة . تعمل هذه العمليات على حماية ظروف السطح من بعض التغيرات الإشعاعية السريعة في الغلاف الجوي. ونتيجة لذلك، فإن الفرق بين النهار والليل في درجات حرارة السطح صغير نسبيًا. وبالمثل، يُظهر نظام مناخ الأرض ككل استجابة بطيئة للتحولات في توازن الإشعاع الجوي. ^[19]

تحتوي الأمتار القليلة العلوية من محيطات الأرض على طاقة حرارية أكبر من الغلاف الجوي بأكمله. ^[20] مثل الغازات الجوية، تنقل مياه المحيطات السائلة كميات هائلة من هذه الطاقة فوق سطح الكوكب. تنتقل الحرارة المحسوسة أيضًا إلى أعماق كبيرة وخارجها في ظل ظروف مواتية للهبوط أو الصعود . ^{[21] [22]}

تم تخزين أكثر من 90 بالمائة من الطاقة الإضافية التي تراكمت على الأرض من الانحباس الحراري العالمي المستمر منذ عام 1970 في المحيط . ^[20] انتشر حوالي ثلثها إلى أعماق أقل من 700 متر. كما ارتفع معدل النمو الإجمالي خلال العقود الأخيرة، حيث وصل إلى ما يقرب من 500 تيراوات (1 واط / م ² ) اعتبارًا من عام 2020. ^{[23] [5]} أدى ذلك إلى اكتساب حوالي 14  زيتاجول  (ZJ) من الحرارة لهذا العام، وهو ما يتجاوز 570  إكساجول (= 160.000 تيراوات في الساعة ^[14] ) من إجمالي الطاقة الأولية التي يستهلكها البشر بعامل لا يقل عن 20. ^[15]

بشكل عام، يمكن اعتبار التغييرات في توازن تدفق طاقة الأرض نتيجة لقوى خارجية (طبيعية وبشرية، إشعاعية وغير إشعاعية)، وردود أفعال النظام ، وتقلبات النظام الداخلي . ^[24] يتم التعبير عن مثل هذه التغييرات في المقام الأول على أنها تحولات يمكن ملاحظتها في درجة الحرارة (T)، والسحب (C)، وبخار الماء (W)، والهباء الجوي (A)، وغازات الدفيئة النزرة (G)، وانعكاس سطح الأرض/المحيط/الجليد (S)، وتحولات طفيفة في العزل (I) من بين عوامل أخرى محتملة. يمكن بعد ذلك تحليل معدل تسخين/تبريد الأرض على مدى أطر زمنية محددة (Δt) باعتباره التغير الصافي في الطاقة (ΔE) المرتبط بهذه السمات:

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

هنا، يتم إعطاء مصطلح ΔE _T ، المقابل لاستجابة بلانك ، قيمة سلبية عندما ترتفع درجة الحرارة بسبب تأثيره المباشر القوي على OLR. ^{[25] [23]}

إن الزيادة الأخيرة في غازات الدفيئة النزرة تنتج تأثيرًا معززًا للاحتباس الحراري، وبالتالي مصطلح إجباري إيجابي لـ ΔE _G. وعلى النقيض من ذلك، يمكن لثوران بركاني كبير (مثل جبل بيناتوبو 1991 ، إل تشيتشون 1982) أن يحقن مركبات تحتوي على الكبريت في الغلاف الجوي العلوي. وقد تستمر التركيزات العالية من الهباء الجوي الكبريتي في طبقة الستراتوسفير لمدة تصل إلى بضع سنوات، مما ينتج عنه مساهمة إجبارية سلبية في ΔE A. _[ ^{26] [27]} تساهم أنواع أخرى مختلفة من انبعاثات الهباء الجوي من صنع الإنسان بشكل إيجابي وسلبي في ΔE _{A. تنتج} الدورات الشمسية ΔE _I أصغر في الحجم من تلك الخاصة باتجاهات ΔE _G الأخيرة من النشاط البشري. [ ^{28] [29]}

إن القوى المناخية معقدة لأنها يمكن أن تنتج ردود فعل مباشرة وغير مباشرة تعمل على تكثيف ( ردود فعل إيجابية ) أو إضعاف ( ردود فعل سلبية ) القوة الأصلية. وغالبًا ما تتبع هذه ردود الفعل في درجات الحرارة. اتجاهات بخار الماء كردود فعل إيجابية فيما يتعلق بتغيرات درجات الحرارة بسبب تحولات التبخر وعلاقة كلاوزيوس-كلابيرون . تؤدي الزيادة في بخار الماء إلى ΔE _W موجبة بسبب زيادة تأثير الاحتباس الحراري. ردود الفعل الإيجابية الأبطأ هي ردود فعل الجليد-البياض . على سبيل المثال، يؤدي فقدان الجليد في القطب الشمالي بسبب ارتفاع درجات الحرارة إلى جعل المنطقة أقل انعكاسًا، مما يؤدي إلى امتصاص أكبر للطاقة ومعدلات ذوبان الجليد بشكل أسرع، وبالتالي التأثير الإيجابي على ΔE _S. ^[30] بشكل جماعي، تميل ردود الفعل إلى تضخيم ظاهرة الاحتباس الحراري أو التبريد العالمي. [ ^{31] : 94}

تُعد السحب مسؤولة عن حوالي نصف انعكاس الأرض وهي تعبيرات قوية عن التباين الداخلي لنظام المناخ. ^{[32] [33]} وقد تعمل أيضًا كردود فعل للقوى، وقد تكون قوى بحد ذاتها إذا كانت نتيجة لنشاط تلقيح السحب على سبيل المثال . تختلف المساهمات في ΔE _C إقليميًا وتعتمد على نوع السحابة. يتم جمع القياسات من الأقمار الصناعية بالتنسيق مع عمليات المحاكاة من النماذج في محاولة لتحسين الفهم وتقليل عدم اليقين. ^[34]

يتم تعريف اختلال توازن طاقة الأرض (EEI) بأنه "التدفق الصافي المستمر والإيجابي (الهابط) لطاقة الغلاف الجوي المرتبط بإجبار غازات الاحتباس الحراري على نظام المناخ". ^{[2] : 2227}

إذا كان تدفق الطاقة الواردة إلى الأرض (ASR) أكبر أو أصغر من تدفق الطاقة الصادرة (OLR)، فإن الكوكب سوف يكتسب (يسخن) أو يفقد (يبرد) طاقة حرارية صافية وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة :

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

وبالتالي، يحدد مؤشر EEI الإيجابي المعدل الإجمالي للتسخين الكوكبي ويُعبر عنه عادةً بالواط لكل متر مربع (W/m ² ). وخلال الفترة من 2005 إلى 2019، بلغ متوسط ​​اختلال توازن الطاقة في الأرض حوالي 460 تيراوات أو عالميًا 0.90 ± 0.15 واط لكل متر ^مربع . ^[1]

عندما يتحول اختلال توازن طاقة الأرض (EEI) بمقدار كبير بما فيه الكفاية، يمكن قياس التحول بواسطة أدوات تعتمد على الأقمار الصناعية. ^{[27] [35]} كما أن الاختلالات التي تفشل في الانعكاس بمرور الوقت ستؤدي أيضًا إلى تغييرات طويلة الأجل في درجات الحرارة في مكونات الغلاف الجوي والمحيطات والأرض والجليد في نظام المناخ. ^[36] وبالتالي فإن درجة الحرارة ومستوى سطح البحر والكتلة الجليدية والتحولات ذات الصلة توفر أيضًا مقاييس لاختلال توازن طاقة الأرض. ^[5]

تنشأ أكبر التغييرات في EEI من التغييرات في تكوين الغلاف الجوي من خلال الأنشطة البشرية، وبالتالي التدخل في التدفق الطبيعي للطاقة عبر نظام المناخ. ^[1]  تأتي التغييرات الرئيسية من الزيادات في ثاني أكسيد الكربون وغيره من الغازات المسببة للانحباس الحراري، والتي تنتج التدفئة (EEI الإيجابي)، والتلوث. يشير الأخير إلى الهباء الجوي من أنواع مختلفة، بعضها يمتص الطاقة بينما يعكس البعض الآخر الطاقة وينتج التبريد (أو EEI أقل).  

تقديرات اختلال توازن طاقة الأرض (EEI) ^[37]

الفترة الزمنية	EEI (وات/م 2 )
1971-2006	0.50 [0.31 إلى 0.68]
1971-2018	0.57 [0.43 إلى 0.72]
1976-2023	0.65 [0.48 إلى 0.82]
2006-2018	0.79 [0.52 إلى 1.07]
2011-2023	0.96 [0.67 إلى 1.26]
تشير الأقواس المربعة إلى فترات ثقة بنسبة 90%

ليس من الممكن (حتى الآن) قياس الحجم المطلق لـ EEI مباشرة في أعلى الغلاف الجوي، على الرغم من الاعتقاد بأن التغييرات التي تطرأ بمرور الوقت كما يتم رصدها بواسطة أدوات تعتمد على الأقمار الصناعية دقيقة. الطريقة العملية الوحيدة لتقدير الحجم المطلق لـ EEI هي من خلال جرد التغيرات في الطاقة في نظام المناخ. أكبر هذه الخزانات للطاقة هو المحيط. ^[1]

يمكن تجميع محتوى الحرارة الكوكبية الموجود في نظام المناخ بالنظر إلى السعة الحرارية والكثافة وتوزيع درجات الحرارة لكل من مكوناته. يتم الآن أخذ عينات من معظم المناطق ومراقبتها بشكل جيد إلى حد معقول، مع الاستثناء الأكثر أهمية وهو أعماق المحيطات. ^[38]

كما تم حساب تقديرات الحجم المطلق لـ EEI باستخدام التغيرات في درجات الحرارة المقاسة خلال فترات زمنية متعددة العقود الأخيرة. بالنسبة للفترة من 2006 إلى 2020، كان EEI حوالي+0.76 ± 0.2 واط/م ² وأظهر زيادة كبيرة فوق متوسط+0.48 ± 0.1 واط/م ² للفترة من 1971 إلى 2020. ^[5]

كان مؤشر EEI إيجابيًا لأن درجات الحرارة ارتفعت في كل مكان تقريبًا لأكثر من 50 عامًا. يتم حساب درجة حرارة السطح العالمية (GST) من خلال متوسط ​​درجات الحرارة المقاسة على سطح البحر جنبًا إلى جنب مع درجات حرارة الهواء المقاسة فوق الأرض. تُظهر البيانات الموثوقة التي تمتد إلى عام 1880 على الأقل أن درجة حرارة السطح العالمية خضعت لزيادة ثابتة بنحو 0.18 درجة مئوية لكل عقد منذ عام 1970 تقريبًا. ^[39]

مياه المحيطات هي ماصات فعالة بشكل خاص للطاقة الشمسية ولديها سعة حرارية إجمالية أكبر بكثير من الغلاف الجوي. ^[40] أخذت سفن ومحطات الأبحاث عينات من درجات حرارة البحر في العمق وحول العالم منذ ما قبل عام 1960. بالإضافة إلى ذلك، بعد عام 2000، قامت شبكة متوسعة من ما يقرب من 4000 عوامة روبوتية من نوع Argo بقياس شذوذ درجة الحرارة، أو ما يعادله من تغير محتوى الحرارة في المحيط (ΔOHC). منذ عام 1990 على الأقل، زاد OHC بمعدل ثابت أو متسارع. يمثل ΔOHC الجزء الأكبر من EEI حيث استوعبت المحيطات حتى الآن أكثر من 90٪ من صافي الطاقة الزائدة التي تدخل النظام بمرور الوقت (Δt): ^{[41] [42]}

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

لقد استوعبت القشرة الخارجية للأرض والمناطق المغطاة بالجليد السميك قدرًا ضئيلًا نسبيًا من الطاقة الزائدة. وذلك لأن الحرارة الزائدة على أسطحها تتدفق إلى الداخل فقط عن طريق التوصيل الحراري ، وبالتالي تخترق عشرات السنتيمترات فقط في الدورة اليومية وعدة عشرات الأمتار فقط في الدورة السنوية. ^[43] يذهب قدر كبير من امتصاص الحرارة إما إلى ذوبان الجليد والصقيع الدائم أو إلى تبخر المزيد من الماء من التربة.

تقيس العديد من الأقمار الصناعية الطاقة التي تمتصها الأرض وتشعها، وبالتالي تستنتج اختلال التوازن في الطاقة. تقع هذه الأقمار الصناعية أعلى الغلاف الجوي (TOA) وتوفر بيانات تغطي الكرة الأرضية. وشمل مشروع تجربة ميزانية إشعاع الأرض (ERBE) التابع لوكالة ناسا ثلاثة أقمار صناعية من هذا القبيل: قمر ميزانية إشعاع الأرض (ERBS)، الذي أطلق في أكتوبر 1984؛ وقمر NOAA-9، الذي أطلق في ديسمبر 1984؛ وقمر NOAA-10، الذي أطلق في سبتمبر 1986. ^[44]

تعتبر أدوات السحب ونظام الطاقة المشعة للأرض (CERES) التابعين لوكالة ناسا جزءًا من نظام مراقبة الأرض (EOS) منذ مارس 2000. تم تصميم CERES لقياس كل من الإشعاع المنعكس من الشمس (الطول الموجي القصير) والإشعاع المنبعث من الأرض (الطول الموجي الطويل). ^[46] أظهرت بيانات CERES زيادة في EEI من+0.42 ± 0.48 واط/م ² في عام 2005 إلى+1.12 ± 0.48 واط/م ² في عام 2019. وشملت العوامل المساهمة المزيد من بخار الماء، وقلة السحب، وزيادة الغازات المسببة للانحباس الحراري، وتناقص الجليد الذي تم تعويضه جزئيًا بارتفاع درجات الحرارة. ^{[23] [45]} خلص التحقيق اللاحق للسلوك باستخدام نموذج المناخ GFDL CM4/AM4 إلى وجود فرصة أقل من 1٪ أن يكون التقلب المناخي الداخلي وحده هو السبب في هذا الاتجاه. ^[47]

استخدم باحثون آخرون بيانات من CERES و AIRS و CloudSat وأجهزة EOS الأخرى للبحث عن اتجاهات القوة الإشعاعية المضمنة في بيانات EEI. أظهر تحليلهم ارتفاعًا في القوة بمقدار+0.53 ± 0.11 واط/م ² من عام 2003 إلى عام 2018. وكان حوالي 80% من الزيادة مرتبطًا بارتفاع تركيز الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي مما أدى إلى تقليل الإشعاع الموجي الطويل الصادر. ^{[48] [49] [50]}

أشارت قياسات الأقمار الصناعية الأخرى، بما في ذلك بيانات TRMM و CALIPSO ، إلى هطول أمطار إضافية، والتي يتم دعمها من خلال زيادة الطاقة التي تترك السطح من خلال التبخر (تدفق الحرارة الكامنة)، مما يعوض بعض الزيادة في تدفق الغازات الدفيئة طويلة الموجة إلى السطح. ^[51]

من الجدير بالذكر أن عدم اليقين في المعايرة الإشعاعية يحد من قدرة الجيل الحالي من الأجهزة المستندة إلى الأقمار الصناعية، والتي تتميز بخلاف ذلك بالاستقرار والدقة . ونتيجة لذلك، يمكن قياس التغيرات النسبية في EEI بدقة لا يمكن تحقيقها أيضًا لأي قياس واحد للاختلال المطلق. ^{[52] [53]}

تشير الملاحظات منذ عام 1994 إلى أن الجليد قد تراجع من كل جزء من الأرض بمعدل متسارع. ^{[55] كما ارتفع} متوسط ​​مستوى سطح البحر العالمي نتيجة لذوبان الجليد بالتزامن مع الارتفاع العام في درجات حرارة المحيطات. ^[56] ساهمت هذه التحولات في حدوث تغييرات قابلة للقياس في الشكل الهندسي وجاذبية الكوكب.

تم استنتاج التغيرات في توزيع كتلة الماء داخل الغلاف المائي والغلاف الجليدي باستخدام الملاحظات الجاذبية بواسطة أدوات الأقمار الصناعية GRACE . تمت مقارنة هذه البيانات بتضاريس سطح المحيط والمزيد من الملاحظات الهيدروغرافية باستخدام النماذج الحسابية التي تأخذ في الاعتبار التمدد الحراري وتغيرات الملوحة وعوامل أخرى. لقد اتفقت التقديرات التي تم الحصول عليها من خلال ذلك لـ ΔOHC وEEI مع التقييمات المستقلة الأخرى (في الغالب) ضمن عدم اليقين. ^{[54] [57]}

حدد علماء المناخ كيفن ترينبيرث وجيمس هانسن وزملاؤهما مراقبة اختلال توازن الطاقة في الأرض كمقياس مهم لمساعدة صناع السياسات في توجيه وتيرة تدابير التخفيف والتكيف . وبسبب جمود نظام المناخ ، يمكن لاتجاهات اختلال توازن الطاقة في الأرض على المدى الأطول أن تتنبأ بتغيرات أخرى " قيد التنفيذ". ^{[36] [58] [59]}

وجد العلماء أن مؤشر الطاقة المتجددة هو المقياس الأكثر أهمية فيما يتعلق بتغير المناخ. فهو النتيجة الصافية لجميع العمليات والتفاعلات التي تحدث في نظام المناخ. ^[1] إن معرفة مقدار الطاقة الإضافية التي تؤثر على أنظمة الطقس وهطول الأمطار أمر حيوي لفهم الظواهر الجوية المتطرفة المتزايدة. ^[1]

في عام 2012، أفاد علماء ناسا أنه لوقف الانحباس الحراري العالمي، يجب خفض تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى 350 جزءًا في المليون أو أقل، على افتراض أن جميع القوى المناخية الأخرى ثابتة. _[ 60 ^] اعتبارًا من عام 2020، وصل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _إلى 415 جزءًا في المليون وتجاوزت جميع الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي طويلة الأمد تركيزًا مكافئًا _لثاني أكسيد الكربون يبلغ 500 جزء في المليون بسبب النمو المستمر في الانبعاثات البشرية. ^[61]

• دورة الطاقة لورينز
• درجة حرارة التوازن الكوكبي
• حساسية المناخ
• نقاط التحول في النظام المناخي
• بوابة تغير المناخ

• ناسا: ميزانية الطاقة في الغلاف الجوي
• السحب ونظام الطاقة الإشعاعية للأرض (CERES)
• مشروع ميزانية الإشعاع السطحي التابع لوكالة ناسا/GEWEX