Zapewne pamiętasz, jak nauczyciele nauk ścisłych w szkole podstawowej wyjaśniali, że energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć. To podstawowa właściwość wszechświata.
Energię można jednak przekształcić. Kiedy promienie słoneczne docierają do Ziemi, zamieniają się w przypadkowe ruchy cząsteczek, które odczuwasz jako ciepło. W tym samym czasie Ziemia i atmosfera wysyłają promieniowanie z powrotem w kosmos. Równowaga między energią przychodzącą i wychodzącą jest znana jako „budżet energetyczny” Ziemi.
Nasz klimat jest determinowany przez te przepływy energii. Kiedy ilość energii wchodzącej jest większa niż ta wychodzącej, planeta się nagrzewa.
Może się to zdarzyć na kilka sposobów, na przykład gdy lód morski, który normalnie odbija promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos, zniknie, a ciemny ocean zamiast tego pochłania tę energię. Dzieje się tak również, gdy gazy cieplarniane gromadzą się w atmosferze i zatrzymują część energii, która w przeciwnym razie zostałaby wypromieniowana.
Naukowcy mierzą budżet energetyczny Ziemi od lat 80-tych za pomocą przyrządów umieszczonych na satelitach, w powietrzu i oceanach oraz na ziemi.
Równoważenie energii słonecznej
Praktycznie cała energia w systemie klimatycznym Ziemi pochodzi ze słońca. Tylko niewielka część jest prowadzona w górę z wnętrza Ziemi.
Przeciętnie planeta otrzymuje 340,4 watów światła słonecznego na metr kwadratowy. Całe słońce pada w ciągu dnia, a liczby są znacznie wyższe w lokalne południe.
Z tego 340,4 watów na metr kwadratowy:
99,9 watów jest odbijanych z powrotem w kosmos przez chmury, pył, śnieg i powierzchnię Ziemi.
Pozostałe 240,5 watów jest pochłaniane — około jednej czwartej przez atmosferę, a resztę przez powierzchnię planety. Promieniowanie to jest przekształcane w energię cieplną w systemie Ziemi. Prawie cała ta pochłonięta energia jest dopasowywana do energii wyemitowanej z powrotem w kosmos. Niewielka pozostałość — 0,6 wata na metr kwadratowy — akumuluje się jako globalne ocieplenie. To może nie brzmieć dużo, ale się sumuje.
Atmosfera pochłania dużo energii i emituje ją w postaci promieniowania zarówno w kosmos, jak i z powrotem na powierzchnię planety. W rzeczywistości powierzchnia Ziemi otrzymuje prawie dwa razy więcej promieniowania z atmosfery niż z bezpośredniego światła słonecznego. Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że słońce nagrzewa powierzchnię tylko w ciągu dnia, a ciepła atmosfera panuje tam 24 godziny na dobę.
Łącznie energia docierająca do powierzchni Ziemi ze słońca i z atmosfery wynosi około 504 watów na metr kwadratowy. Powierzchnia Ziemi emituje około 79 procent tego z powrotem. Pozostała energia powierzchniowa jest wykorzystywana do parowania wody i ogrzewania powietrza, oceanów i lądu.
Niewielkie pozostałości między wchodzącym światłem słonecznym a wychodzącą podczerwienią wynikają z akumulacji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla w powietrzu. Gazy te są przezroczyste dla światła słonecznego, ale nieprzezroczyste dla promieni podczerwonych — pochłaniają i emitują wiele promieni podczerwonych z powrotem.
W odpowiedzi temperatura powierzchni Ziemi musi wzrosnąć, dopóki nie zostanie przywrócona równowaga między promieniowaniem przychodzącym i wychodzącym.
Co to oznacza dla globalnych temperatur?
Podwojenie dwutlenku węgla dodałoby 3,7 wata ciepła na każdy metr kwadratowy Ziemi. Wyobraź sobie staromodne żarowe lampki nocne rozmieszczone co 0,9 metra na całym świecie, pozostawione na zawsze.
Przy obecnym tempie emisji do połowy stulecia poziom gazów cieplarnianych podwoi się w porównaniu z poziomem sprzed epoki przemysłowej.
Klimatolodzy szacują, że dodanie takiej ilości ciepła do świata spowodowałoby ocieplenie klimatu Ziemi o około 5 stopni Fahrenheita (3 stopnie Celsjusza). Zapobieganie temu wymagałoby zastąpienia spalania paliw kopalnych, głównego źródła emisji gazów cieplarnianych, innymi formami energii.
