Jaki jest budżet energetyczny Ziemi?
Termin „budżet energetyczny Ziemi” został wymyślony, aby odnieść się do energii, jaką planeta otrzymuje ze słońca, wykorzystywanej na całej ziemi, a następnie wysyła z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Słońce dostarcza całą energię, która jest wykorzystywana w ziemi, chociaż większość energii słonecznej nigdy nie dociera do powierzchni planety. Ciepło, które otrzymuje ziemia, dzieli się na pięć różnych składników środowiska: żywe istoty, takie jak rośliny i zwierzęta, skorupa ziemska, ciała wodne ziemi, atmosfera i lód. Ze względu na kształt planety ilość energii uderzającej w powierzchnię Ziemi jest znacznie nierówna, a niektóre obszary otrzymują znacznie większe ilości ciepła niż inne. Kształt Ziemi sprawia, że obszary polarne otrzymują znacznie mniej ciepła niż obszary bliższe równikowi. Badania naukowe wykazały, że każdy metr kwadratowy powierzchni Ziemi otrzymuje i oddaje około 240 watów energii słonecznej. Ilość energii cieplnej otrzymanej przez ziemię i wypromieniowanej z powrotem do przestrzeni jest bliska zrównoważenia z ziemią zbliżającą się do stanu równowagi radiacyjnej.
Przychodząca energia cieplna
Ziemia otrzymuje energię słoneczną w postaci promieniowania krótkofalowego. Przychodząca energia może oddziaływać ze środowiskiem ziemskim na trzy różne sposoby: rozpraszanie, absorpcja i odbicie. Jeśli promieniowanie słoneczne uderza w powierzchnię ziemi bez poddania się żadnemu z tych trzech procesów, określa się to jako bezpośrednie promieniowanie słoneczne.
Rozpraszanie
Gdy energia słońca jest rozproszona, wchodzi w kontakt z drobnymi cząstkami, takimi jak cząsteczki gazu, które zmieniają kierunek promieni słonecznych bez zmiany długości fali. Rozpraszanie zależy od wielu czynników, takich jak długość fali promieniowania, jak również wielkość cząsteczek rozpraszających promieniowanie. Głównym efektem rozpraszania jest zmniejszenie ilości energii cieplnej docierającej do powierzchni ziemi. Rozproszenie jest również odpowiedzialne za niebieskie niebo na ziemi. Rozproszone promieniowanie słoneczne, które uderza w powierzchnię ziemi, nazywane jest rozproszonym promieniowaniem słonecznym.
Wchłanianie
Innym sposobem oddziaływania energii słonecznej ze środowiskiem ziemskim jest absorpcja. Naukowcy opisują absorpcję jako proces, w którym substancja pobiera promieniowanie słoneczne, a następnie zmienia się w energię cieplną. Po tym, jak materiał generuje energię cieplną, następnie promieniuje go z powrotem do środowiska przez promieniowanie długofalowe.
Odbicie
Promieniowanie słoneczne może również być odbijane, gdy oddziałuje z cząstkami w ziemi. Odbicie ma miejsce, gdy światło słoneczne uderza w cząstkę i zostaje przekierowane do atmosfery. Głównym skutkiem odbicia jest zmniejszenie ilości ciepła docierającego do powierzchni ziemi. Odbicie zwykle występuje w chmurach, gdzie kropelki wody przechwytują i przekierowują promienie słoneczne.
Wychodząca energia cieplna
Ziemia wysyła energię w przestrzeń kosmiczną w postaci promieniowania długofalowego, które zwykle ma małe ilości energii. Energia wysyłana z ziemi ma na ogół postać promieniowania podczerwonego. Cząsteczki w środowisku pochłaniają część energii wypromieniowanej z ziemi, podczas gdy chmury również odbijają część. Promieniowanie wychodzące ma fundamentalne znaczenie dla budżetu energetycznego Ziemi, ponieważ jest sumą energii z ziemi do atmosfery. Promieniowanie wychodzące odgrywa również znaczącą rolę w efekcie cieplarnianym, ponieważ gazy takie jak dwutlenek węgla i metan absorbują promieniowanie, zwiększając ilość ciepła w atmosferze. Innym efektem absorpcji przez te gazy jest to, że powoduje wzrost temperatury powierzchni ziemi. Naukowcy wskazują, że wyższe stężenie gazów cieplarnianych może prowadzić do globalnego ocieplenia.
Nierównowaga energetyczna na Ziemi
W przypadku, gdy energia napływająca do Ziemi i energia opuszczająca planetę nie są równe, ziemia zyskuje lub traci energię. Istnieją dwa podstawowe sposoby sprawdzenia, czy ziemia zyskuje energię, traci ją lub znajduje się w równowadze. Jednym ze sposobów jest użycie pomiaru pośredniego. W przypadku zmiany energii na ziemi wpłynie to na różne składniki środowiska ziemskiego, takie jak oceany. Aby zmierzyć zmianę, wykorzystuje się urządzenia oceaniczne znane jako pływaki argo. Inną metodą, którą można zastosować, jest bezpośredni pomiar głównie za pomocą satelitów. Satelity mierzące technologię niezbilansowania energii wykorzystują technologię opracowaną przez NASA i monitorują ilość ciepła otrzymywanego przez Ziemię, a także ilość promieniowaną przez Ziemię.
Efekt cieplarniany
Gazy, które stanowią najbardziej znaczący procent atmosfery ziemskiej, to tlen i azot, które nie oddziałują ani z napływającym promieniowaniem słonecznym, ani promieniowaniem cieplnym z Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Atmosfera ziemska zawiera jednak również substancje, takie jak para wodna i inne gazy, które pochłaniają promieniowanie cieplne o określonej długości fali. Pięć do sześciu procent energii emitowanej przez Ziemię jest pochłaniane przez substancje, a wzrost ich stężenia w atmosferze powoduje wyższy stopień absorpcji. Podstawowy wpływ standardowego efektu cieplarnianego polega na tym, że podnosi on temperaturę ziemi, powodując, że ziemia jest cieplejsza niż byłaby, gdyby polegała wyłącznie na słońcu do ogrzewania.
Zmiana klimatu
Klimat Ziemi może ulec zmianie ze względu na czynniki naturalne lub pod wpływem ludzi. Czynniki naturalne, które powodują zmianę klimatu Ziemi, obejmują erupcje wulkaniczne i zmiany jasności słońca, które albo zwiększyłyby albo zmniejszyły ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi. Szereg działań człowieka przyczynia się bezpośrednio lub pośrednio do zmiany klimatu Ziemi, takich jak uwalnianie zanieczyszczeń do atmosfery, a także wylesianie. Zmiany klimatyczne mają bezpośredni wpływ na budżet energetyczny Ziemi.
Ekonomiczne skutki zmian klimatu
Jednym z sektorów, na który w znacznym stopniu wpływają zmiany klimatu, jest sektor rolny. Ze względu na zmiany niektóre regiony mają mniej deszczu niż zazwyczaj, co prowadzi do nieurodzaju. Inne obszary doświadczają wyższych niż przeciętne opadów, co prowadzi do zniszczenia upraw w gospodarstwach. Wpływ tych wydarzeń polega na tym, że zmniejsza to plony, co utrudnia rolnikom utrzymanie i tworzenie niedoborów żywności. Innym skutkiem zmian klimatycznych jest to, że doprowadzi to do znacznego wzrostu fal upałów, z których niektóre mogą spowodować śmierć, zmniejszając część populacji zdolnej do przyczynienia się do gospodarki.
