Введение
Разница между солнечным излучением, поглощаемым Землей, и энергией, излучаемой обратно в космос. Радиационное воздействие (или климатическое воздействие) – это концепция, используемая в климатологии для количественной оценки изменения энергетического баланса в атмосфере Земли. Различные факторы вносят вклад в это изменение энергетического баланса, такие как концентрации парниковых газов и аэрозолей, а также изменения альбедо поверхности и солнечной радиации. В более технических терминах, оно определяется как «изменение чистого, нисходящего минус восходящего, радиационного потока (выраженного в Вт/м²) вследствие изменения внешнего фактора, влияющего на климат». Радиационное воздействие – это не физическая величина, которую можно измерить одним прибором. Скорее, это научная концепция и сущность, силу которой можно оценить, исходя из фундаментальных физических принципов. Ученые используют измерения изменений атмосферных параметров для расчета радиационного воздействия. МГЭИК обобщила текущий научный консенсус об изменениях радиационного воздействия следующим образом: «Антропогенное радиационное воздействие в 2,72 Вт/м² в 2019 году по сравнению с 1750 годом привело к потеплению климатической системы. Это потепление в основном обусловлено увеличением концентрации парниковых газов, частично компенсированным охлаждением из-за увеличения концентрации аэрозолей». В литературе определены различные типы радиационного воздействия:
Скорректированное радиационное воздействие, в различных методиках его расчета, оценивает дисбаланс после того, как температура стратосферы была изменена для достижения радиационного равновесия в стратосфере (в смысле нулевой скорости радиационного нагрева). Эта новая методика не оценивает какие-либо корректировки или обратные связи, которые могут возникнуть в тропосфере (в дополнение к корректировкам температуры стратосферы). Для этой цели было введено другое определение – эффективное радиационное воздействие. В целом, ЭРВ является рекомендацией анализа радиационного воздействия CMIP6, хотя методики, скорректированные по стратосфере, все еще применяются в тех случаях, когда корректировки и обратные связи в тропосфере считаются незначительными, например, для хорошо перемешанных парниковых газов и озона. Методика, называемая подходом радиационного ядра, позволяет оценить климатические обратные связи в рамках автономного расчета, основанного на линейном приближении.
Причины изменения климата
Радиационное воздействие используется для количественной оценки силы различных естественных и антропогенных факторов, вызывающих энергетический дисбаланс Земли с течением времени. Детальные физические механизмы, посредством которых эти факторы приводят к потеплению или охлаждению планеты, разнообразны. Радиационное воздействие позволяет сравнивать вклад каждого фактора с другими. Другая метрика, называемая эффективным радиационным воздействием или ERF, исключает влияние быстрых корректировок (так называемых "быстрых обратных связей") в атмосфере, не связанных с долгосрочными изменениями температуры поверхности. ERF позволяет сопоставлять факторы изменения климата на более равных условиях для оценки их воздействия и получения более последовательного представления о том, как глобальная температура поверхности реагирует на различные типы антропогенного воздействия. Оценка получается как величина, обратная параметру климатической обратной связи, имеющему размерность (Вт/м²) /К. Оценочное значение дает увеличение глобальной температуры примерно на 1,6 К по сравнению с температурой 1750 года из-за увеличения (с 278 до 405 ppm, при воздействии 2,0 Вт/м²), и прогнозирует дальнейшее потепление на 1,4 К выше текущих температур, если молярная доля в атмосфере удвоится по сравнению с доиндустриальным уровнем. Оба этих расчета предполагают отсутствие других воздействий. Исторически, радиационное воздействие демонстрирует наилучшую предсказательную способность для конкретных типов воздействия, таких как парниковые газы. Оно менее эффективно для других антропогенных факторов, таких как сажа.
Наблюдения за атмосферой
Глобальный радиационный баланс Земли изменяется по мере вращения планеты вокруг своей оси и вокруг Солнца, а также по мере возникновения и рассеивания тепловых аномалий глобального масштаба в наземных, океанических и атмосферных системах (например, ENSO). Следовательно, «мгновенное радиационное воздействие» (МРВ) планеты также динамично и естественным образом колеблется между состояниями общего потепления и охлаждения. Сочетание периодических и сложных процессов, вызывающих эти естественные вариации, как правило, возвращается в течение периодов продолжительностью до нескольких лет, приводя к нулевому среднему МРВ. Эти колебания также маскируют долгосрочные (десятилетние) тенденции, обусловленные деятельностью человека, и, следовательно, затрудняют непосредственное наблюдение этих тенденций. Радиационный баланс Земли непрерывно контролируется приборами NASA Clouds и Earth's Radiant Energy System (CERES) с 1998 года. Каждое сканирование земной поверхности предоставляет оценку общего (при полной облачности) мгновенного радиационного баланса. Этот архив данных фиксирует как естественные колебания, так и антропогенное влияние на МРВ, включая изменения в концентрации парниковых газов, аэрозолей, характеристиках земной поверхности и т.д. Архив также включает в себя запаздывающие радиационные отклики на радиационные дисбалансы, возникающие главным образом за счет обратных связей в системе Земли, связанных с температурой, поверхностным альбедо, атмосферным водяным паром и облаками. Исследователи использовали измерения, полученные с помощью CERES, AIRS, CloudSat и других спутниковых приборов в рамках системы NASA по наблюдению за Землей, для разделения вкладов естественных колебаний и системных обратных связей. Исключение этих вкладов из многолетних данных позволяет наблюдать антропогенную тенденцию в МРВ на верхней границе атмосферы (TOA). Анализ данных также был выполнен с высокой вычислительной эффективностью и независимо от большинства связанных методов и результатов моделирования. Было непосредственно установлено, что радиационное воздействие возросло на +0,53 Вт·м⁻² (±0,11 Вт·м⁻²) в период с 2003 по 2018 год. Около 20% этого увеличения связано со снижением концентрации атмосферных аэрозолей, а большая часть оставшихся 80% – с ростом концентрации парниковых газов. Ранее тенденция к увеличению радиационного дисбаланса, вызванного глобальным потеплением, была зафиксирована наземными приборами. Например, подобные измерения проводились отдельно в условиях ясного неба на двух площадках Atmospheric Radiation Measurement (ARM) в Оклахоме и Аляске. Каждое непосредственное наблюдение показало, что связанное с этим радиационное (инфракрасное) нагревание, испытываемое жителями поверхности, возросло на +0,2 Вт·м⁻² (±0,07 Вт·м⁻²) в течение десятилетия, завершившегося в 2010 году. Помимо фокусировки на длинноволновом излучении и наиболее влиятельном парниковом газе, этот результат пропорционально меньше, чем МРВ на верхней границе атмосферы, из-за буферизации атмосферным поглощением.
Другие следовые газы
Для других следовых парниковых газов, таких как метан (с зависимостью от квадратного корня) и ХФУ (линейной зависимостью), применяются несколько иные формулы, с коэффициентами, которые можно найти, например, в докладах МГЭИК. Исследование, проведенное в 2016 году, указывает на необходимость значительного пересмотра формулы МГЭИК для метана. Вклад наиболее влиятельных следовых газов в атмосферу Земли рассматривается в разделе, посвященном недавним тенденциям роста, а также в списке парниковых газов МГЭИК.
Водяная пара
Водяной пар является основным парниковым газом Земли, в настоящее время обуславливающим около половины всего парникового эффекта от атмосферных газов. Его общая концентрация в атмосфере почти полностью зависит от средней планетарной температуры и может увеличиваться до 7% с каждым градусом (°C) повышения температуры (см. также: соотношение Клаузиуса — Клапейрона). Таким образом, в долгосрочной перспективе водяной пар действует как положительная обратная связь, усиливающая радиационное воздействие, вызванное ростом концентрации углекислого газа и других микрокомпонентов.
Форсирование из-за изменений солнечной радиации
Интенсивность солнечного излучения, включающего все длины волн, называется общим солнечным излучением (TSI) и в среднем соответствует солнечной постоянной. Она составляет примерно 1361 Вт м−2 на расстоянии среднегодовой орбиты Земли, равном одной астрономической единице, и измеряется на верхней границе атмосферы. TSI Земли изменяется как под влиянием солнечной активности, так и динамики планетной орбиты. С 1978 года различные спутниковые приборы, включая ERB, ACRIM 1, 3, VIRGO и TIM, непрерывно измеряют TSI с повышением точности и прецизионности. Если аппроксимировать Землю сферой, то площадь поперечного сечения, обращенная к Солнцу, равна одной четверти площади поверхности планеты. Таким образом, глобальное и годовое среднее количество солнечного излучения на квадратный метр атмосферной поверхности Земли равно одной четверти TSI и имеет почти постоянное значение.
Годовые циклы
Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, поэтому получаемый в любой момент времени TSI колеблется примерно между 1321 Вт/м² (в афелии в начале июля) и 1412 Вт/м² (в перигелии в начале января), что составляет около ±3,4% в течение года. Это изменение облучения оказывает незначительное влияние на сезонные погодные условия Земли и её климатические зоны, которые в основном обусловлены ежегодным циклом изменения направления наклона оси Земли. Такие повторяющиеся циклы вносят нулевой чистый вклад (по определению) в долгосрочные климатические изменения.
Активность солнечных пятен
Среднегодовая ТСО варьируется от примерно 1360 Вт м−2 до 1362 Вт м−2 (±0,05%) в течение типичного 11-летнего цикла солнечной активности. Наблюдения солнечных пятен ведутся с примерно 1600 года и свидетельствуют о существовании более длительных колебаний (цикл Глейсберга, цикл Де Вриса/Зейсса и др.), которые модулируют 11-летний цикл (цикл Швабе). Несмотря на такое сложное поведение, амплитуда 11-летнего цикла является наиболее выраженным изменением на протяжении всего периода длительных наблюдений. Изменения ТСО, связанные с солнечными пятнами, вносят небольшой, но ненулевой вклад в вынуждающий фактор в контексте десятилетних изменений климата. С конца XX века средняя ТСО демонстрирует небольшое снижение, наряду с тенденцией к уменьшению солнечной активности.
Миланковичские смены
Климатическое воздействие, вызванное изменениями солнечной иррадиации, происходило в течение циклов Миланковича, которые охватывают периоды примерно от 40 000 до 100 000 лет. Циклы Миланковича включают в себя долгопериодические изменения эксцентриситета (или эллиптичности) орбиты Земли, наклонности орбиты (или наклона оси вращения) и прецессии направления оси вращения. Среди них 100-тысячелетний цикл эксцентриситета вызывает колебания общего солнечного излучения (TSI) примерно на ±0,2%. В настоящее время эксцентриситет Земли приближается к минимальному значению (наиболее круговой орбите), что приводит к очень медленному снижению среднегодового TSI.
Солнечный старение
Солнце израсходовало около половины своего запаса водорода с момента формирования примерно 4,5 миллиарда лет назад. Общая солнечная радиация (TSI) будет продолжать медленно возрастать в процессе старения, примерно на 1% каждые 100 миллионов лет. Эта скорость изменения слишком мала для обнаружения в ходе измерений и несущественна в масштабах человеческой жизни.
Форсирование из-за изменений альбедо и аэрозолей
Часть входящей солнечной радиации отражается облаками и аэрозолями, океанами и рельефом, снегом и льдом, растительностью, а также другими природными и искусственными поверхностями. Отраженная доля известна как планетарное альбедо (R), измеряется на верхней границе атмосферы и имеет среднегодовое глобальное значение около 0,30 (30%). Общая доля солнечной энергии, поглощаемой Землей, составляет (1−R) или 0,70 (70%). Атмосферные компоненты вносят около трех четвертей в альбедо Земли, при этом только облака ответственны за половину этого значения. Важная роль облаков и водяного пара обусловлена преобладанием жидкой воды на поверхности планеты. Глобальные закономерности формирования и циркуляции облаков чрезвычайно сложны, связаны с океанскими тепловыми потоками, а струйные течения способствуют их быстрому переносу. Более того, было установлено, что альбедо северного и южного полушарий Земли практически равны (в пределах 0,2%). Это важно, учитывая, что более двух третей суши и 85% населения Земли расположены в северном полушарии. Множество спутниковых инструментов, включая MODIS, VIIRS и CERES, непрерывно мониторят альбедо Земли с 1998 года. Снимки Landsat, доступные с 1972 года, также использовались в некоторых исследованиях. Точность измерений повысилась, а результаты сошлись в последние годы, что позволило более уверенно оценить влияние планетарного альбедо на климат за последние десятилетия.