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presupuesto energético de la Tierra

Balance y desequilibrio energético de la Tierra, mostrando a dónde va el exceso de energía: La radiación saliente está disminuyendo debido al aumento de los gases de efecto inve...

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Balance y desequilibrio energético de la Tierra, mostrando a dónde va el exceso de energía: La radiación saliente está disminuyendo debido al aumento de los gases de efecto invernadero en la atmósfera, lo que lleva a un desequilibrio energético de la Tierra de aproximadamente 460 TW. [ 1 ] También se indica el porcentaje que se destina a cada dominio del sistema climático .

El balance energético de la Tierra es el equilibrio entre la energía que la Tierra recibe del Sol y la energía que pierde de vuelta al espacio exterior . Se tienen en cuenta fuentes de energía menores, como el calor interno de la Tierra, pero hacen una contribución ínfima en comparación con la energía solar. El balance energético también tiene en cuenta cómo se mueve la energía a través del sistema climático . [ 2 ] : 2227 El Sol calienta más los trópicos ecuatoriales que las regiones polares . Por lo tanto, la cantidad de irradiancia solar recibida por una región determinada se distribuye de manera desigual. A medida que la energía busca el equilibrio en todo el planeta, impulsa las interacciones en el sistema climático de la Tierra, es decir, el agua , el hielo , la atmósfera , la corteza rocosa y todos los seres vivos de la Tierra . [ 2 ] : 2224 El resultado es el clima de la Tierra .

El balance energético de la Tierra depende de muchos factores, como los aerosoles atmosféricos , los gases de efecto invernadero , el albedo de la superficie , las nubes y los patrones de uso del suelo . Cuando los flujos de energía entrantes y salientes están en equilibrio, la Tierra se encuentra en equilibrio radiativo y el sistema climático será relativamente estable. El calentamiento global ocurre cuando la Tierra recibe más energía de la que devuelve al espacio, y el enfriamiento global se produce cuando la energía saliente es mayor. [ 3 ]

Múltiples tipos de mediciones y observaciones muestran un desequilibrio de calentamiento desde al menos el año 1970. [ 4 ] [ 5 ] La tasa de calentamiento de este evento causado por el hombre no tiene precedentes. [ 6 ] : 54 El origen principal de los cambios en la energía de la Tierra son los cambios inducidos por el hombre en la composición de la atmósfera. [ 1 ] Durante 2005 a 2019 el desequilibrio energético de la Tierra (EEI) promedió alrededor de 460 TW o globalmente 0,90 ± 0,15  W/m 2 . [ 1 ]

Los cambios en el balance energético tardan en producir cambios significativos en la temperatura superficial global . Esto se debe a la inercia térmica de los océanos , la tierra y la criosfera . [ 7 ] La ​​mayoría de los modelos climáticos realizan cálculos precisos de esta inercia, los flujos de energía y las cantidades almacenadas.

Definición

El balance energético de la Tierra incluye los "principales flujos de energía relevantes para el sistema climático". [ 2 ] Estos son "el balance energético en la parte superior de la atmósfera; el balance energético de la superficie; los cambios en el inventario energético global y los flujos internos de energía dentro del sistema climático". [ 2 ] : 2227

Flujos de energía de la Tierra

La radiación de onda corta incidente en la parte superior de la atmósfera (TOA) muestra la energía recibida del Sol, según las mediciones de CERES (26-27 de enero de 2012). Las áreas blancas más brillantes muestran la mayor reflectividad (menor absorción) de energía solar, mientras que las áreas azules más oscuras muestran la mayor absorción.

A pesar de las enormes transferencias de energía hacia y desde la Tierra, esta mantiene una temperatura relativamente constante porque, en su conjunto, hay poca ganancia o pérdida neta: la Tierra emite al espacio, a través de la radiación atmosférica y terrestre (desplazada a longitudes de onda electromagnéticas más largas), aproximadamente la misma cantidad de energía que recibe a través de la insolación solar (todas las formas de radiación electromagnética).

El principal origen de los cambios en la energía de la Tierra proviene de cambios inducidos por el hombre en la composición de la atmósfera, que ascienden a unos 460  TW o a nivel mundial.0,90 ± 0,15  W/m 2 . [ 1 ]

Energía solar incidente (radiación de onda corta)

La cantidad total de energía recibida por segundo en la parte superior de la atmósfera terrestre (TOA) se mide en vatios y se obtiene multiplicando la constante solar por el área de la sección transversal de la Tierra correspondiente a la radiación. Dado que el área de la superficie de una esfera es cuatro veces el área de su sección transversal (es decir, el área de un círculo), el flujo TOA promedio global y anual es un cuarto de la constante solar, por lo que es aproximadamente 340  vatios por metro cuadrado (W/m² ) . [ 8 ] [ 9 ] Dado que la absorción varía con la ubicación, así como con las variaciones diurnas, estacionales y anuales, los valores citados son promedios multianuales obtenidos a partir de múltiples mediciones satelitales. [ 8 ]

De los ~340  W/m² de radiación solar recibida por la Tierra, un promedio de ~77  W/m² se refleja de vuelta al espacio por las nubes y la atmósfera, y ~23  W/m² se refleja por el albedo de la superficie , dejando ~240  W/m² de energía solar que ingresa al balance energético de la Tierra. Esta cantidad se llama radiación solar absorbida (RAS). Esto implica un valor de aproximadamente 0,3 para el albedo neto medio de la Tierra, también llamado su albedo de Bond (A): [ 8 ]

ASR=(1−A)×340 W metro−2≃240 W metro−2.{\displaystyle ASR=(1-A)\times 340~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}\simeq 240~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}.}

radiación saliente de onda larga

Radiación saliente de onda larga en la parte superior de la atmósfera (26-27 de enero de 2012). La energía térmica irradiada por la Tierra (en vatios por metro cuadrado) se muestra en tonos de amarillo, rojo, azul y blanco. Las áreas de color amarillo más brillante son las más calientes y emiten la mayor cantidad de energía al espacio, mientras que las áreas de color azul oscuro y las nubes blancas brillantes son mucho más frías y emiten la menor cantidad de energía.

La energía abandona el planeta en forma de radiación saliente de onda larga (REL). La radiación de onda larga es radiación térmica electromagnética emitida por la superficie y la atmósfera terrestres. Se encuentra en la banda infrarroja , pero ambos términos no son sinónimos, ya que la radiación infrarroja puede ser de onda corta o larga . La luz solar contiene cantidades significativas de radiación infrarroja de onda corta . A veces se utiliza una longitud de onda umbral de 4 micras para distinguir la radiación de onda larga de la de onda corta.

Generalmente, la energía solar absorbida se convierte en diferentes formas de energía térmica. Parte de la energía solar absorbida por la superficie se convierte en radiación térmica en longitudes de onda dentro de la " ventana atmosférica "; esta radiación puede atravesar la atmósfera sin impedimentos y escapar directamente al espacio, contribuyendo a la radiación de onda larga saliente (OLR). El resto de la energía solar absorbida se transporta hacia arriba a través de la atmósfera mediante diversos mecanismos de transferencia de calor, hasta que parte de esa energía también puede escapar al espacio, contribuyendo nuevamente a la OLR. Por ejemplo, el calor se transporta a la atmósfera mediante la evapotranspiración y los flujos de calor latente o los procesos de conducción / convección , así como mediante el transporte de calor radiativo. [ 8 ] En última instancia, toda la energía saliente se irradia al espacio en forma de radiación de onda larga.

El transporte de radiación de onda larga desde la superficie terrestre a través de su atmósfera multicapa se rige por ecuaciones de transferencia radiativa como la ecuación de Schwarzschild para la transferencia radiativa (o ecuaciones más complejas si hay dispersión presente) y obedece la ley de radiación térmica de Kirchhoff .

Un modelo de una sola capa produce una descripción aproximada de OLR que arroja temperaturas en la superficie (T s =288 Kelvin ) y en el medio de la troposfera ( T a =242 K) que están cerca de los valores promedio observados: [ 10 ]  

OLR≃ϵσTa4+(1−ϵ)σTs4.{\displaystyle OLR\simeq \epsilon \sigma T_{\text{a}}^{4}+(1-\epsilon )\sigma T_{\text{s}}^{4}.}

En esta expresión, σ es la constante de Stefan-Boltzmann y ε representa la emisividad de la atmósfera, que es menor que 1 porque la atmósfera no emite dentro del rango de longitud de onda conocido como ventana atmosférica .

Los aerosoles, las nubes, el vapor de agua y los gases de efecto invernadero traza contribuyen a un valor efectivo de aproximadamente ε = 0,78 . La fuerte sensibilidad a la temperatura (de cuarta potencia) mantiene un equilibrio casi perfecto entre el flujo de energía saliente y el flujo entrante a través de pequeños cambios en las temperaturas absolutas del planeta .

Aumento del efecto invernadero no nuboso de la Tierra (2000-2022) según datos satelitales.

Vistos desde el espacio circundante a la Tierra, los gases de efecto invernadero influyen en la emisividad atmosférica del planeta ( ε ). Los cambios en la composición atmosférica pueden, por lo tanto, alterar el balance de radiación general. Por ejemplo, un aumento en la retención de calor debido a una concentración creciente de gases de efecto invernadero (es decir, un efecto invernadero intensificado ) fuerza una disminución de la radiación de onda larga saliente ( OLR ) y un desequilibrio energético de calentamiento (restaurador). [ 11 ] En última instancia, cuando la cantidad de gases de efecto invernadero aumenta o disminuye, las temperaturas superficiales in situ suben o bajan hasta que la radiación solar absorbida es igual a la radiación de onda larga saliente, o ASR es igual a OLR.

Fuentes de calor internas de la Tierra y otros efectos menores

Se estima que el flujo de calor geotérmico del interior de la Tierra es de 47 teravatios (TW) [ 12 ] y se divide aproximadamente por igual entre el calor radiogénico y el calor remanente de la formación de la Tierra. Esto corresponde a un flujo promedio de 0,087  W/m² y representa solo el 0,027% del presupuesto energético total de la Tierra en la superficie, siendo empequeñecido por el173 000  TW de radiación solar incidente . [ 13 ]

La producción humana de energía es aún menor, con un promedio de 18  TW, lo que corresponde a un estimado de 160 000  TW-h, para todo el año 2019. [ 14 ] Sin embargo, el consumo está creciendo rápidamente y la producción de energía con combustibles fósiles también produce un aumento de los gases de efecto invernadero atmosféricos, lo que genera un desequilibrio más de 20 veces mayor en los flujos entrantes/salientes que se originan en la radiación solar. [ 15 ]

La fotosíntesis también tiene un efecto significativo: se estima que 140  TW (o alrededor del 0,08 %) de la energía incidente es capturada por la fotosíntesis, lo que proporciona energía a las plantas para producir biomasa . [ 16 ] Un flujo de calor similar se libera a lo largo de un año cuando las plantas se utilizan como alimento o combustible.

En los cálculos suelen ignorarse otras fuentes menores de energía, como la acumulación de polvo interplanetario y viento solar , la luz de estrellas distintas del Sol y la radiación térmica del espacio. Anteriormente, Joseph Fourier había afirmado que la radiación del espacio profundo era significativa en un artículo a menudo citado como el primero sobre el efecto invernadero . [ 17 ]

Análisis presupuestario

Diagrama de Sankey que ilustra un ejemplo equilibrado del balance energético de la Tierra. El grosor de la línea es directamente proporcional a la cantidad relativa de energía. [ 18 ]

En términos sencillos, el balance energético de la Tierra se equilibra cuando el flujo entrante es igual al flujo saliente. Dado que una parte de la energía entrante se refleja directamente, el equilibrio también puede expresarse como la radiación solar entrante (de onda corta) absorbida igual a la radiación saliente de onda larga:

ASR=OLR.{\displaystyle ASR=OLR.}

Análisis de flujo interno

Para describir algunos de los flujos internos dentro del balance energético, supongamos que la insolación recibida en la parte superior de la atmósfera es de 100 unidades (=  340  W/m² ) , como se muestra en el diagrama de Sankey adjunto. Denominado albedo terrestre, aproximadamente 35 unidades en este ejemplo se reflejan directamente al espacio: 27 desde la parte superior de las nubes, 2 desde áreas cubiertas de nieve y hielo, y 6 por otras partes de la atmósfera. Las 65 unidades restantes (ASR  =  220  W/m² ) son absorbidas: 14 dentro de la atmósfera y 51 por la superficie terrestre.

Las 51 unidades que llegan a la superficie y son absorbidas se emiten de vuelta al espacio a través de diversas formas de energía terrestre: 17 se irradian directamente al espacio y 34 son absorbidas por la atmósfera (19 mediante calor latente de vaporización , 9 por convección y turbulencia, y 6 como radiación infrarroja absorbida por los gases de efecto invernadero ). Las 48 unidades absorbidas por la atmósfera (34 provenientes de energía terrestre y 14 de insolación) se irradian finalmente de vuelta al espacio. Este ejemplo simplificado omite algunos detalles de los mecanismos que recirculan, almacenan y, por lo tanto, generan una mayor acumulación de calor cerca de la superficie.

En última instancia, las 65 unidades (17 del suelo y 48 de la atmósfera) se emiten como OLR. Estas compensan aproximadamente las 65 unidades (ASR) absorbidas del sol para mantener una ganancia neta de energía cero para la Tierra. [ 18 ]

depósitos de almacenamiento de calor

La creciente acumulación de energía en los componentes oceánicos, terrestres, de hielo y atmosféricos del sistema climático de la Tierra desde 1960 [ 5 ]

La tierra, el hielo y los océanos son componentes materiales activos del sistema climático de la Tierra, junto con la atmósfera. Tienen mucha mayor masa y capacidad calorífica , y por lo tanto, mucha más inercia térmica . Cuando la radiación se absorbe directamente o la temperatura de la superficie cambia, la energía fluye como calor sensible hacia dentro o hacia fuera de la masa de estos componentes mediante procesos de transferencia de calor por conducción/convección . La transformación del agua entre sus estados sólido/líquido/vapor también actúa como fuente o sumidero de energía potencial en forma de calor latente . Estos procesos amortiguan las condiciones de la superficie frente a algunos de los rápidos cambios radiativos en la atmósfera. Como resultado, la diferencia entre las temperaturas de la superficie durante el día y la noche es relativamente pequeña. Del mismo modo, el sistema climático de la Tierra en su conjunto muestra una respuesta lenta a los cambios en el balance de radiación atmosférica. [ 19 ]

Los primeros metros de los océanos terrestres albergan más energía que toda su atmósfera. [ 20 ] Al igual que los gases atmosféricos, las aguas oceánicas fluidas transportan enormes cantidades de energía sobre la superficie del planeta. El calor sensible también se mueve hacia dentro y hacia fuera de grandes profundidades en condiciones que favorecen el hundimiento o el afloramiento . [ 21 ] [ 22 ] Los científicos observan estas transferencias de energía a gran escala midiendo los cambios en la entalpía oceánica . [ 23 ]

Más del 90 por ciento de la energía adicional que se ha acumulado en la Tierra debido al continuo calentamiento global desde 1970 se ha almacenado en el océano . [ 20 ] Alrededor de un tercio se ha propagado a profundidades inferiores a 700  metros. La tasa general de crecimiento también ha aumentado durante las últimas décadas, alcanzando cerca de 500  TW (1  W/m 2 ) en 2020. [ 24 ] [ 5 ] Esto dio lugar a una ganancia de calor de aproximadamente 14 zettajulios (ZJ) para el año, superando los 570 exajulios (=160 000 TW-hr [ 14 ] ) de energía primaria total consumida por los humanos en un factor de al menos 20. [ 15 ]    

Análisis de la tasa de calentamiento/enfriamiento

En términos generales, los cambios en el balance del flujo de energía de la Tierra pueden considerarse como el resultado de forzamientos externos (tanto naturales como antropogénicos, radiativos y no radiativos), retroalimentaciones del sistema y variabilidad interna del sistema . [ 25 ] Dichos cambios se expresan principalmente como variaciones observables en la temperatura (T), las nubes (C), el vapor de agua (W), los aerosoles (A), los gases de efecto invernadero traza (G), la reflectancia de la superficie terrestre/oceánica/de hielo (S) y como variaciones menores en la insolación (I), entre otros posibles factores. La tasa de calentamiento/enfriamiento de la Tierra puede entonces analizarse en marcos temporales seleccionados (Δt) como el cambio neto en la energía (ΔE) asociado con estos atributos:

Δmi/Δt=( ΔmiT+Δmido+ΔmiW+ΔmiA+ΔmiGRAMO+ΔmiS+ΔmiI+... )/Δt=ASR−OLR.{\displaystyle {\begin{aligned}\Delta E/\Delta t&=(\ \Delta E_{T}+\Delta E_{C}+\Delta E_{W}+\Delta E_{A}+\Delta E_{G}+\Delta E_{S}+\Delta E_{I}+...\ )/\Delta t\\\\&=ASR-OLR.\end{aligned}}}

Aquí el término ΔE T , correspondiente a la respuesta de Planck , tiene un valor negativo cuando la temperatura aumenta debido a su fuerte influencia directa sobre OLR. [ 26 ] [ 24 ]

El reciente aumento de gases de efecto invernadero traza produce un efecto invernadero mejorado y, por lo tanto, un término de forzamiento ΔE G positivo. Por el contrario, una gran erupción volcánica (p. ej., Monte Pinatubo 1991 , El Chichón 1982) puede inyectar compuestos que contienen azufre en la atmósfera superior. Las altas concentraciones de aerosoles de azufre estratosféricos pueden persistir hasta por algunos años, lo que produce una contribución de forzamiento negativa a ΔE A. [ 27 ] [ 28 ] Varios otros tipos de emisiones de aerosoles antropogénicos hacen contribuciones tanto positivas como negativas a ΔE A. Los ciclos solares producen ΔE I de menor magnitud que las tendencias recientes de ΔE G de la actividad humana. [ 29 ] [ 30 ]

Los forzamientos climáticos son complejos, ya que pueden producir retroalimentaciones directas e indirectas que intensifican ( retroalimentación positiva ) o debilitan ( retroalimentación negativa ) el forzamiento original. Estas suelen seguir la respuesta de la temperatura. El vapor de agua presenta tendencias de retroalimentación positiva con respecto a los cambios de temperatura debido a las variaciones en la evaporación y la relación de Clausius-Clapeyron . Un aumento en el vapor de agua resulta en un ΔE W positivo debido a una mayor intensificación del efecto invernadero. Una retroalimentación positiva más lenta es la retroalimentación hielo-albedo . Por ejemplo, la pérdida de hielo ártico debido al aumento de las temperaturas hace que la región sea menos reflectante, lo que conlleva una mayor absorción de energía e incluso tasas de fusión del hielo más rápidas, influyendo así positivamente en ΔE S. [ 31 ] En conjunto, las retroalimentaciones que excluyen la respuesta de Planck tienden a amplificar el calentamiento o enfriamiento global. [ 32 ] : 94

Las nubes son responsables de aproximadamente la mitad del albedo de la Tierra y son poderosas expresiones de la variabilidad interna del sistema climático. [ 33 ] [ 34 ] También pueden actuar como retroalimentaciones a los forzamientos, e incluso podrían ser forzamientos en sí mismas si, por ejemplo, son resultado de la actividad de siembra de nubes . Las contribuciones a ΔE C varían regionalmente y según el tipo de nube. Las mediciones de satélites se recopilan junto con simulaciones de modelos en un esfuerzo por mejorar la comprensión y reducir la incertidumbre. [ 35 ]

Desequilibrio energético de la Tierra (EEI)

El balance energético de la Tierra (en W/m² ) determina el clima. Es el equilibrio entre la radiación entrante y saliente y puede medirse mediante satélites. El desequilibrio energético de la Tierra es la cantidad de energía "absorbida neta". [ 24 ]
El desequilibrio energético de la Tierra ha aumentado en el siglo XXI, alcanzando valores que duplican las estimaciones previas del IPCC . [ 36 ] La capacidad para observar este desequilibrio se está deteriorando debido a la desactivación de satélites. [ 36 ]

El desequilibrio energético de la Tierra (EEI) se define como "el flujo de energía neto persistente y positivo (descendente) en la parte superior de la atmósfera asociado con el forzamiento de los gases de efecto invernadero sobre el sistema climático". [ 2 ] : 2227

Si el flujo de energía entrante de la Tierra (ASR) es mayor o menor que el flujo de energía saliente (OLR), entonces el planeta ganará (se calentará) o perderá (se enfriará) energía térmica neta de acuerdo con la ley de conservación de la energía :

mimiI≡ASR−OLR{\displaystyle EEI\equiv ASR-OLR}.

El EEI positivo define, por lo tanto, la tasa global de calentamiento planetario y se expresa típicamente en vatios por metro cuadrado (W/m² ) . Durante el período 2005-2019, el desequilibrio energético de la Tierra promedió alrededor de 460 TW o, a nivel global, 0,90 ± 0,15 W por m² . [ 1 ]

Cuando el desequilibrio energético de la Tierra (EEI) cambia en una cantidad suficientemente grande, el cambio es medible mediante instrumentos basados ​​en satélites en órbita. [ 28 ] [ 37 ] Los desequilibrios que no se revierten con el tiempo también impulsarán cambios de temperatura a largo plazo en los componentes atmosféricos, oceánicos, terrestres y de hielo del sistema climático. [ 38 ] Por lo tanto, la temperatura, el nivel del mar, la masa de hielo y los cambios relacionados también proporcionan medidas del EEI. [ 5 ]

Los mayores cambios en el EEI se deben a cambios en la composición de la atmósfera causados ​​por las actividades humanas, lo que interfiere con el flujo natural de energía a través del sistema climático. [ 1 ]  Los principales cambios provienen del aumento del dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero, que producen calentamiento (EEI positivo), y de la contaminación. Esta última se refiere a los aerosoles atmosféricos de diversos tipos, algunos de los cuales absorben energía, mientras que otros la reflejan y producen enfriamiento (o EEI menor).  

Aún no es posible medir la magnitud absoluta de la EEI directamente en la parte superior de la atmósfera, aunque se cree que los cambios a lo largo del tiempo observados por instrumentos satelitales son precisos. La única forma práctica de estimar la magnitud absoluta de la EEI es mediante un inventario de los cambios en la energía del sistema climático. El mayor de estos reservorios de energía es el océano. [ 1 ]

evaluaciones de inventario energético

El contenido de calor planetario que reside en el sistema climático puede recopilarse a partir de la capacidad calorífica, la densidad y las distribuciones de temperatura de cada uno de sus componentes. La mayoría de las regiones están ahora razonablemente bien muestreadas y monitoreadas, siendo la excepción más significativa el océano profundo. [ 40 ]

Dibujo esquemático del exceso de calor y el desequilibrio energético de la Tierra para dos períodos de tiempo recientes [ 5 ].

Asimismo, se han calculado estimaciones de la magnitud absoluta del EEI utilizando los cambios de temperatura medidos durante intervalos de tiempo multidecadales recientes. Para el período 2006 a 2020, el EEI fue de aproximadamente+0,76 ± 0,2  W/m 2 y mostró un aumento significativo por encima de la media de+0,48 ± 0,1  W/m 2 para el período 1971 a 2020. [ 5 ]

El EEI ha sido positivo porque las temperaturas han aumentado en casi todas partes durante más de 50 años. La temperatura superficial global (GST) se calcula promediando las temperaturas medidas en la superficie del mar junto con las temperaturas del aire medidas sobre la tierra. Los datos fiables que se remontan al menos a 1880 muestran que la GST ha experimentado un aumento constante de aproximadamente 0,18  °C por década desde alrededor del año 1970. [ 41 ]

Las aguas oceánicas son absorbentes especialmente eficaces de energía solar y tienen una capacidad calorífica total mucho mayor que la atmósfera. [ 42 ] Buques y estaciones de investigación han muestreado las temperaturas del mar en profundidad y alrededor del mundo desde antes de 1960. Además, después del año 2000, una red en expansión de casi 4000 boyas robóticas Argo ha medido la anomalía de temperatura, o equivalentemente el cambio en el contenido de calor del océano (ΔOHC). Desde al menos 1990, el OHC ha aumentado a un ritmo constante o acelerado. ΔOHC representa la mayor parte de la EEI ya que los océanos han absorbido hasta ahora más del 90% del exceso neto de energía que ingresa al sistema a lo largo del tiempo (Δt): [ 43 ] [ 44 ]

mimiI≳ΔOHdo/Δt{\displaystyle EEI\gtrsim \Delta OHC/\Delta t}.

La corteza terrestre y las regiones cubiertas de hielo grueso han absorbido relativamente poca energía sobrante. Esto se debe a que el calor sobrante en sus superficies fluye hacia el interior únicamente por conducción térmica , penetrando así solo unas decenas de centímetros en el ciclo diario y solo unas decenas de metros en el ciclo anual. [ 45 ] Gran parte de la absorción de calor se destina a derretir el hielo y el permafrost o a evaporar más agua de los suelos.

Mediciones en la parte superior de la atmósfera (TOA)

Varios satélites miden la energía absorbida y radiada por la Tierra y, por lo tanto, infieren el desequilibrio energético. Estos se ubican en la parte superior de la atmósfera (TOA) y proporcionan datos que cubren todo el planeta. El proyecto Experimento de Balance de Radiación Terrestre (ERBE) de la NASA incluyó tres de estos satélites: el Satélite de Balance de Radiación Terrestre (ERBS), lanzado en octubre de 1984; el NOAA-9, lanzado en diciembre de 1984; y el NOAA-10, lanzado en septiembre de 1986. [ 46 ]

El aumento del desequilibrio energético de la Tierra a partir de mediciones satelitales e in situ (2005-2019). Una tasa de +1,0  W/m² sumada sobre la superficie del planeta equivale a una absorción continua de calor de aproximadamente 500 teravatios (~0,3 % de la radiación solar incidente). [ 24 ] [ 47 ] 

Los instrumentos CERES ( Clouds and the Earth's Radiant Energy System ) de la NASA forman parte de su Sistema de Observación de la Tierra (EOS) desde marzo de 2000. CERES está diseñado para medir tanto la radiación solar reflejada (longitud de onda corta) como la radiación emitida por la Tierra (longitud de onda larga). [ 48 ] Los datos de CERES mostraron aumentos en el EEI de+0,42 ± 0,48  W/m 2 en 2005 a+1,12 ± 0,48  W/m² en 2019. Entre los factores que contribuyeron se incluyeron mayor cantidad de vapor de agua, menor nubosidad, aumento de gases de efecto invernadero y disminución del hielo, factores que fueron parcialmente compensados ​​por el aumento de las temperaturas. [ 24 ] [ 47 ] Una investigación posterior del comportamiento utilizando el modelo climático GFDL CM4/AM4 concluyó que había menos del 1 % de probabilidad de que la variabilidad climática interna por sí sola causara la tendencia. [ 49 ]

Otros investigadores han utilizado datos de CERES, AIRS , CloudSat y otros instrumentos EOS para buscar tendencias de forzamiento radiativo incrustadas en los datos EEI. Su análisis mostró un aumento del forzamiento de+0,53 ± 0,11  W/m² entre los años 2003 y 2018. Aproximadamente el 80 % del aumento se asoció con el incremento de la concentración de gases de efecto invernadero, que redujo la radiación saliente de onda larga. [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]

Otras mediciones satelitales, incluidos los datos de TRMM y CALIPSO, han indicado precipitaciones adicionales, que se mantienen gracias al aumento de energía que abandona la superficie a través de la evaporación (el flujo de calor latente), lo que compensa parte del aumento del flujo de radiación de onda larga de efecto invernadero hacia la superficie. [ 53 ]

Cabe destacar que las incertidumbres de calibración radiométrica limitan la capacidad de la generación actual de instrumentos satelitales, que por lo demás son estables y precisos . Como resultado, los cambios relativos en EEI se pueden cuantificar con una precisión que no se logra con ninguna medición individual del desequilibrio absoluto. [ 54 ] [ 55 ]

Levantamientos geodésicos e hidrográficos

Estimaciones del calentamiento de la Tierra a partir de una combinación de altimetría espacial y gravimetría espacial [ 56 ]

Las observaciones realizadas desde 1994 muestran que el hielo se ha retirado de todas las partes de la Tierra a un ritmo acelerado. [ 57 ] El nivel medio global del mar también ha aumentado como consecuencia del deshielo, junto con el aumento general de las temperaturas oceánicas. [ 58 ] Estos cambios han contribuido a modificaciones medibles en la forma geométrica y la gravedad del planeta.

Se han deducido cambios en la distribución de masa de agua dentro de la hidrosfera y la criosfera utilizando observaciones gravimétricas de los instrumentos del satélite GRACE . Estos datos se han comparado con la topografía de la superficie oceánica y otras observaciones hidrográficas mediante modelos computacionales que consideran la expansión térmica, los cambios de salinidad y otros factores. Las estimaciones obtenidas para ΔOHC y EEI han coincidido con otras evaluaciones (en su mayoría) independientes dentro de los márgenes de incertidumbre. [ 56 ] [ 59 ]

Importancia como indicador del cambio climático

Los científicos climáticos Kevin Trenberth , James Hansen y sus colegas han identificado el monitoreo del desequilibrio energético de la Tierra como una métrica importante para ayudar a los responsables políticos a orientar el ritmo de las medidas de mitigación y adaptación . Debido a la inercia del sistema climático , las tendencias a largo plazo del EEI (desequilibrio energético de la Tierra) pueden pronosticar cambios futuros que están "en proceso". [ 38 ] [ 60 ] [ 61 ]

Los científicos descubrieron que el EEI es la métrica más importante relacionada con el cambio climático. Es el resultado neto de todos los procesos y retroalimentaciones que intervienen en el sistema climático. [ 1 ] Conocer cuánta energía adicional afecta a los sistemas meteorológicos y a las precipitaciones es vital para comprender el aumento de los fenómenos meteorológicos extremos. [ 1 ]

En 2012, científicos de la NASA informaron que para detener el calentamiento global, la concentración atmosférica de CO₂ tendría que reducirse a 350  ppm o menos, suponiendo que todos los demás factores climáticos se mantuvieran constantes. [ 62 ] En 2020, el CO₂ atmosférico alcanzó las 415  ppm y todos los gases de efecto invernadero de larga duración superaron una concentración equivalente a  500 ppm de CO₂ debido al continuo aumento de las emisiones humanas. [ 63 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Trenberth, Kevin E; Cheng, Lijing (1 de septiembre de 2022). "Una perspectiva sobre el cambio climático desde el desequilibrio energético de la Tierra" . Environmental Research: Climate . 1 (1): 013001. doi : 10.1088/2752-5295/ac6f74 . ISSN 2752-5295 . El texto se copió de esta fuente, que está disponible bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 International.
  2. 1 2 3 4 5 IPCC, 2021: Anexo VII: Glosario [Matthews, JBR, V. Möller, R. van Diemen, JS Fuglestvedt, V. Masson-Delmotte, C. Méndez, S. Semenov, A. Reisinger (eds.)]. En Cambio climático 2021: Bases científicas físicas. Contribución del Grupo de Trabajo I al Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, SL Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, MI Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, JBR Matthews, TK Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu y B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, EE. UU., págs. 2215–2256, doi:10.1017/9781009157896.022.
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