Що таке енергетичний бюджет Землі?

Термін «енергетичний бюджет землі» був придуманий для позначення енергії, яку планета отримує від Сонця, використовуваного по всій землі, а потім відправляє назад у космос. Сонце надає всю енергію, яка використовується в землі, хоча більшість енергії сонця ніколи не досягає поверхні планети. Тепло, яке отримує Земля, переходить у п'ять різних компонентів навколишнього середовища: живі речі, такі як рослини і тварини, земна кора, земні водойми, атмосфера і лід. Завдяки формі планети, кількість енергії, що вражає земну поверхню, є значно нерівномірною, оскільки деякі області отримують значно більшу кількість тепла, ніж інші. Форма Землі також робить її таким, що полярні області отримують значно менше тепла, ніж регіони, ближче до екватора. Наукові дослідження показали, що кожен квадратний метр на земній поверхні отримує і віддає від Сонця приблизно 240 Вт енергії. Кількість теплової енергії, отриманої Землею і що випромінюється назад в космос, близька до того, щоб бути врівноваженою, коли Земля майже наближається до стану радіаційного рівноваги.

Вхідна теплова енергія

Земля отримує сонячну енергію у вигляді короткохвильового випромінювання. Вхідна енергія може взаємодіяти з навколишнім середовищем землі трьома різними способами: розсіювання, поглинання і відображення. Якщо сонячне випромінювання вражає земну поверхню, не зазнаючи жодного з цих трьох процесів, це називається прямим сонячним випромінюванням.

Розсіювання

Коли енергія Сонця розсіяна, вона вступає в контакт з дрібними частинками, такими як молекули газу, які потім змінюють напрямок сонячних променів, не змінюючи довжини хвилі. Розсіювання залежить від багатьох факторів, таких як довжина хвилі випромінювання, а також розміри молекул, що розсіюють випромінювання. Основний ефект розсіювання полягає в тому, що він зменшує кількість теплової енергії, що досягає земної поверхні. Розсіювання також відповідає за те, що земне небо є блакитним. Розсіяне сонячне випромінювання, яке вражає земну поверхню, називається розсіяним сонячним випромінюванням.

Поглинання

Інший спосіб, через який сонячна енергія взаємодіє з навколишнім середовищем, полягає в поглинанні. Вчені описують поглинання як процес, через який речовина приймає сонячну радіацію, а потім переходить у теплову енергію. Після того, як матеріал генерує теплову енергію, він пізніше випромінює його назад в навколишнє середовище за допомогою довгохвильового випромінювання.

Відображення

Сонячне випромінювання також може бути відображено, коли воно взаємодіє з частинками всередині землі. Відображення відбувається, коли сонячне світло ударяє про частинку і перенаправляється в атмосферу. Основний вплив відбиття полягає в тому, що він зменшує кількість тепла, що досягає земної поверхні. Відображення зазвичай відбувається в хмарах, де краплі води перехоплюють і перенаправляють сонячні промені.

Вихідна теплова енергія

Земля посилає енергію в космос у вигляді довгохвильового випромінювання, яке зазвичай має низьку кількість енергії. Енергія, що надходить з землі, зазвичай у формі інфрачервоного випромінювання. Частинки в навколишньому середовищі поглинають частину енергії, що випромінюється з землі, а хмари також відбивають деякі. Вихідне випромінювання є фундаментальним для енергетичного бюджету Землі, оскільки це сума енергії від Землі до атмосфери. Вихідне випромінювання також відіграє значну роль у парниковому ефекті, оскільки гази, такі як вуглекислий газ і метан, поглинають випромінювання, збільшуючи кількість тепла в атмосфері. Іншим ефектом поглинання цими газами є те, що вона призводить до підвищення температури земної поверхні. Вчені вказують, що більш висока концентрація парникових газів може призвести до глобального потепління.

Енергетичний дисбаланс всередині Землі

У випадку, якщо енергія, що надходить у землю, і енергія, яка залишає планету, не рівні, земля отримує або втрачає енергію. Існують два основні способи перевірки енергії Землі, її втрати або балансу. Одним із способів є використання непрямого вимірювання. У випадку зміни енергії на Землі, це вплине на різні компоненти навколишнього середовища Землі, такі як океани. Для вимірювання зміни використовуються пристрої океану, відомі як поплавці argo. Інший метод, який може бути використаний, полягає в прямому вимірюванні, в першу чергу, за допомогою використання супутників. Супутники, які вимірюють енергетичний дисбаланс, використовують технологію, розроблену NASA, і контролюють кількість тепла, яке отримує Земля, а також кількість, яку Земля випромінює.

Парниковий ефект

Гази, що становлять найбільший відсоток земної атмосфери, - це кисень і азот, які взаємодіють ні з надходженням сонячної радіації, ні з тепловим випромінюванням землі в космос. Атмосфера Землі, однак, також містить такі речовини, як водяна пара та інші гази, які поглинають теплове випромінювання певних довжин хвиль. П'ять-шість відсотків енергії, яку Земля випромінює, поглинається речовинами, а збільшення їх концентрації в атмосфері призводить до більш високого рівня абсорбції. Основний вплив стандартного парникового ефекту полягає в тому, що вона підвищує температуру землі, роблячи землю теплішою, ніж це було б, якщо б вона покладалася чисто на сонце для опалення.

Зміна клімату

Клімат Землі може змінюватися внаслідок природних чинників або через вплив людини. Природні фактори, що призводять до зміни клімату Землі, включають виверження вулканів та зміни яскравості сонця, які або збільшують, або зменшують кількість сонячної енергії, що досягає земної поверхні. Ряд видів діяльності людини прямо або опосередковано сприяє зміні клімату Землі, наприклад, викиду забруднюючих речовин в атмосферу, а також вирубці лісу. Кліматичні зміни безпосередньо впливають на енергетичний бюджет Землі.

Економічні наслідки зміни клімату

Одним із секторів, що суттєво впливають на зміни кліматичних умов Землі, є сільськогосподарський сектор. Внаслідок змін деякі регіони відчувають менше дощу, ніж зазвичай, що призводить до неврожаю. Інші райони переживають вищі, ніж у середньому, кількості опадів, що призводять до знищення сільськогосподарських культур. Вплив цих подій полягає в тому, що він знижує врожайність сільськогосподарських культур, що ускладнює для фермерів можливість заробляти на життя і створює нестачу продовольства. Інший ефект від зміни клімату полягає в тому, що це призведе до значного збільшення випадків тепла, деякі з яких можуть призвести до зниження смертності частини населення, здатного зробити внесок у економіку.