Каков энергетический бюджет Земли?

Термин «энергетический баланс Земли» был придуман для обозначения энергии, которую планета получает от Солнца, использует по всей Земле, а затем отправляет обратно в космос. Солнце обеспечивает всю энергию, которая используется в земле, хотя большая часть солнечной энергии никогда не достигает поверхности планеты. Тепло, которое получает земля, входит в пять различных компонентов окружающей среды: живые существа, такие как растения и животные, земная кора, водоемы земли, атмосфера и лед. Из-за формы планеты количество энергии, попадающей на поверхность Земли, значительно неравномерно, причем некоторые районы получают значительно большее количество тепла, чем другие. Форма Земли также делает это таким образом, что полярные области получают значительно меньше тепла, чем области, расположенные ближе к экватору. Научные исследования показали, что каждый квадратный метр на поверхности Земли получает и отдает приблизительно 240 Вт энергии от Солнца. Количество тепловой энергии, получаемой Землей и излучаемой обратно в космос, близко к балансу, когда Земля приближается к состоянию радиационного равновесия.

Поступающая тепловая энергия

Земля получает солнечную энергию в виде коротковолновой радиации. Поступающая энергия может взаимодействовать с земной средой тремя различными способами: рассеяние, поглощение и отражение. Если солнечное излучение попадает на поверхность земли, не подвергаясь ни одному из этих трех процессов, оно называется прямой солнечной радиацией.

рассеивающий

Когда энергия солнца рассеивается, она вступает в контакт с мельчайшими частицами, такими как молекулы газа, которые затем изменяют направление солнечных лучей, не изменяя длину волны. Рассеяние зависит от многих факторов, таких как длина волны излучения, а также размер молекул, рассеивающих излучение. Основным эффектом рассеяния является то, что он уменьшает количество тепловой энергии, достигающей поверхности Земли. Рассеяние также ответственно за синее небо Земли. Рассеянное солнечное излучение, которое падает на поверхность Земли, называется рассеянным солнечным излучением.

абсорбция

Другой способ взаимодействия солнечной энергии с окружающей средой Земли - поглощение. Ученые описывают поглощение как процесс, посредством которого вещество поглощает солнечную радиацию, а затем превращается в тепловую энергию. После того, как материал генерирует тепловую энергию, он позже излучает его обратно в окружающую среду посредством длинноволнового излучения.

отражение

Солнечное излучение также может отражаться при взаимодействии с частицами Земли. Отражение происходит, когда солнечный свет попадает на частицу и перенаправляется в атмосферу. Основное влияние отражения заключается в том, что оно уменьшает количество тепла, достигающего поверхности Земли. Отражение обычно происходит в облаках, где капли воды пересекают и перенаправляют солнечные лучи.

Исходящая тепловая энергия

Земля посылает энергию в космос в форме длинноволнового излучения, которое обычно имеет низкое количество энергии. Энергия, посылаемая с Земли, обычно в форме инфракрасного излучения. Частицы в окружающей среде поглощают часть энергии, излучаемой Землей, а облака также отражают ее. Исходящее излучение является основополагающим для энергетического баланса Земли, поскольку оно представляет собой сумму энергии от Земли до атмосферы. Выходящее излучение также играет важную роль в парниковом эффекте, так как газы, такие как углекислый газ и метан, поглощают излучение, увеличивая количество тепла в атмосфере. Другим эффектом поглощения этими газами является то, что это приводит к повышению температуры земной поверхности. Ученые указывают, что более высокая концентрация парниковых газов может привести к глобальному потеплению.

Энергетический дисбаланс внутри Земли

Если энергия, поступающая на Землю, и энергия, покидающая планету, не равны, Земля получает или теряет энергию. Есть два основных способа проверить, набирает ли Земля энергию, теряет ее или находится в равновесии. Одним из способов является использование косвенных измерений. В случае изменения энергии на Земле, это повлияет на различные компоненты земной среды, такие как океаны. Чтобы измерить изменение, используются океанские устройства, известные как поплавки Арго. Другой метод, который можно использовать, - это прямые измерения, в основном, с использованием спутников. Спутники, которые измеряют энергетический дисбаланс, используют технологию, разработанную НАСА, и они контролируют количество тепла, которое получает Земля, а также количество, которое излучает Земля.

Парниковый эффект

Газы, составляющие наиболее значительный процент земной атмосферы, представляют собой кислород и азот, которые не взаимодействуют ни с поступающим солнечным излучением, ни с тепловым излучением из Земли в космос. Земная атмосфера, однако, также содержит вещества, такие как водяной пар и другие газы, которые поглощают тепловое излучение определенной длины волны. Пять-шесть процентов энергии, которую излучает Земля, поглощается веществами, и увеличение их концентрации в атмосфере приводит к более высокой скорости поглощения. Основное влияние стандартного парникового эффекта состоит в том, что он повышает температуру земли, делая ее более теплой, чем если бы она полагалась исключительно на солнце для нагрева.

Изменение климата

Климат Земли может измениться из-за природных факторов или из-за влияния человека. Природные факторы, которые приводят к изменению климата Земли, включают извержения вулканов и изменения яркости Солнца, которые либо увеличивают, либо уменьшают количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Ряд видов деятельности человека прямо или косвенно вносит свой вклад в изменение климата Земли, например, в выброс загрязняющих веществ в атмосферу, а также в вырубку лесов. Климатические изменения оказывают непосредственное влияние на энергетический баланс Земли.

Экономические последствия изменения климата

Одним из секторов, на которые существенно повлияли изменения в климатических особенностях Земли, является сельскохозяйственный сектор. Из-за изменений в некоторых регионах выпадает меньше дождей, чем обычно, что приводит к неурожаю. В других районах уровень осадков выше среднего, что приводит к уничтожению сельскохозяйственных культур на фермах. Результатом этих событий является то, что они снижают урожайность, что затрудняет жизнь фермеров и создает дефицит продовольствия. Еще один эффект изменения климата заключается в том, что оно приведет к значительному увеличению случаев сильной жары, некоторые из которых могут привести к смерти, что приведет к сокращению части населения, способной внести свой вклад в экономику.