行星能量平衡杠杆可用于气候操纵raybet雷竞技最新

地球气候系统是一个动态的raybet雷竞技最新、非常复杂的系统，但它遵循物理、化学热力学和动力学的基本原理。气候raybet雷竞技最新平衡系统是入射太阳辐射能和出射长波地面辐射能之间的平衡。“杠杆”有能力大幅改变地球的能量平衡(1)改变进入地球大气层的太阳辐射通量(量);(2)改变太阳辐射反射回太空的比例，不变;(3)改变地球大气的辐射辐射率，例如，它的能力吸收红外辐射．地球工程建议应用这些大杠杆有意地改变(管理)地球的能量平衡。

斯蒂芬-玻尔兹曼定律简洁地描述了这些杠杆之间的关系，

这里，S0是地球大气层外的平均太阳辐照度;一个是地球平均反照率， e为地球大气的发射率;s是斯蒂芬-玻尔兹曼常数(等于5.67 × 10-8 W m-2 K-4)， T是地球的“黑体”温度。公式9.1的左边提供了一个简单的估计太阳能这是被吸收的，而方程的右边是地球系统辐射回太空的能量的估计量。当吸收的太阳能与地球系统重新释放的能量相等时，地球气候系统处于热力学平衡状态。raybet雷竞技最新从十年到世纪的时间尺度上，对地球能量预算的科学理解是不完整的。然而，从长期来看，这种基本的热力学平衡将保持不变。

地球工程作为减缓气候变暖的一种策略，涉及有目的地改变能量平衡方程中的一些值——修改太阳辐照raybet雷竞技最新度(S0)、地球平均反照率(a)和地球大气的辐射率(e)。

太阳辐照度，S0是每秒钟落在地球大气中每平方米的太阳能量的平均量。如果地球， S0平均1366 W/m2[12]。然而，地球的曲率加上地球在任何时候都只有一半被太阳照亮的事实，大大减少了实际吸收的能量——降至平均343 W/m2。许多天体物理过程，从地球绕太阳轨道的大小和椭圆度，到太阳磁场的周期性变化，都导致了S0[13]的变化。在过去的50年里，11年的太阳黑子周期是造成这种变化的主要原因。可用的分析太阳光度这一时期的数据显示方差在2 W/m2范围内或小于0.1%[14,15]。虽然这些亮度周期可以在温度记录中看到，但没有上升趋势可以解释观测到的气候变暖(IPCC 2007)。raybet雷竞技最新

地球的反照率(a)是衡量其表面和大气反射率的指标。用太阳辐照度(S0)乘以(1-a)得到被系统吸收的太阳能的比例。反照率是白色或浅色表面(如海洋)分数的函数冰川冰,或沙漠，或在大气中，云层和散射(非吸收)气溶胶。对于像式9.1这样的简单计算，地球的反照率通常估计在0.3左右，这表明大约三分之一的太阳辐射被这些光散射表面反射到太空中。然而，在实践中，这些反射特征在地球表面上或在地球表面上随时间尺度变化，从几秒到几千年不等。大陆移动，冰河时代也发生了改变全球反照率在地质时间尺度上。几个世纪以来，以及最近，在十年和每年的时间尺度上，人类农业和发展改变了地球表面的反照率。最近快速的森林砍伐极大地改变了地表反照率(同时也改变了生物圈的碳封存能力)。大气中的云和气溶胶成分从数年到数秒不等。因此，在实践中，地球的反照率变化很大，并且不断变化。

如果地球是一个真正的“黑体”，它重新发射到太空的能量将只是其绝对温度的函数。Stefan- boltzmann方程的理想版本，j=ctT4，其中j是每表面积的能量通量，s是Stefan-

玻尔兹曼常数，T是地球黑体温度，单位是开尔文，它量化了能量通量。然而，地球的大气层在一定程度上干扰了地面(IR)辐射的发射。发射率(e)，在这种情况下，是衡量我们的大气对红外辐射的不透明度。如果大气对红外辐射完全透明，e将等于单位(1)。小于单位的e值表明大气在一定程度上吸收了红外辐射。

卫星在大气层上方测量的地球黑体温度为-19°C，远低于水的冰点，而平均表面温度为15°C。存在于地球对流层表面和顶部之间的强烈热梯度是大气非理想发射率的结果。这就是我们熟悉的“温室效应”。大气中温室气体的浓度越大，大气的发射率就越低。大气的发射率越低，辐射强度越高地球表面温度(T，在式9.1中)必须上升以达到热平衡。

许多因素使地球表面能量的吸收和分散变得复杂。这些因素包括这颗行星接近球形的形状;异质混合的表面类型具有广泛的范围反照率值；大气:地球光化学反应活跃的大气;浩瀚的世界海洋，与;一个生物圈吸收太阳辐射和二氧化碳，随后重新排放二氧化碳和其他温室气体(CH4，甲烷;N2O，一氧化二氮)。海洋不仅吸收太阳辐射，而且还含有比大气高浓度50倍的二氧化碳。在地质时间尺度上，任何这些气候系统组成部分的变化都诱发了冰期和温暖间冰期，以及较短时间尺度上的气候raybet雷竞技最新变化。

以人类活动导致的大气温室气体浓度迅速增加为代表的扰动破坏了地球的能量平衡。虽然全球大气中温室气体的负担继续增加，但地球系统正在走向的平衡状态将包括更高的平均表面温度。气候科学raybet雷竞技最新界预测，未来的气象模式将发生越来越剧烈的变化，因为大气会吸收更多的热量增强温室效应分散在地球系统[1]。

地球工程策略是应用式9.1中变量所暗示的气候系统杠杆:减少太阳辐照度;raybet雷竞技最新增加地球的反照率;增加大气的辐射率。在接下来的章节中，我们将介绍几个地球工程支持者建议如何应用这些杠杆的例子。虽然建议清单并非详尽无遗，但从物理角度来看，所有地球工程建议都寻求使用三种可用杠杆中的一种。他们之间的区别在于细节。表9.1提供了这里讨论的选项的摘要，它定性地比较了与成功实施每一个建议的地球工程战略相关的潜在环境结果(副作用)的当前理解水平。用于比较的其他指标包括实施成本和维持气候强迫所需采取行动的预期时间框架。raybet雷竞技最新每个提案的维持时间表也可以解释为可逆性时间表，假设地球工程行动只会被自然机制停止。

表9.1拟议的地球工程气候方法raybet雷竞技最新

建议

强迫机制

实施成本

维护的时间尺度

平流层气溶胶注入

反射短波辐射

年

对流层海洋人工增雨

反射短波辐射

周

太空反射镜

反射短波辐射

几十年

地表反照率反射短波$$-$$$月修正辐射

潜在的好处

潜在的不良后果

理解水平

灿烂的日出和日落

没有一个

没有一个

减少城市热岛效应

平流层臭氧的损失

人造新型气溶胶的未知影响

改变水循环

海洋和海洋边缘地区的气溶胶污染增加

改变水循环

PAR通量改变导致初级生产力改变水循环改变

对海洋生态系统的严重干扰海洋表面的修饰可能具有较差的美观性，并影响航运业

可行性:高共同效益:高后果:低

可行性:低共同效益:高后果:中等

可行性:低共同效益:低后果:低

可行性:低共同效益:低后果:低

海洋pH值

修改

浮游植物施肥

植树造林

化学风化作用

温室气体下降

温室气体下降

温室气体下降

温室气体下降

未知的

未知的

年

个月

未知的

年

未知的

年

减少二氧化碳导致的海洋酸化

恢复枯竭的鱼类种群

•补充枯竭森林

•城市林业的城市热岛缓解

未知的

大规模操纵海洋表面化学物质可能会影响海洋生态系统

海洋中藻类过度生长和死亡区域的形成

CH4和N,0产量低于施肥透光区

增加的水需求，土壤径流的影响，和肥料．大规模药剂和废物生产对环境的影响。

可行性:低共同效益:低后果:低

可行性:低共同效益:低后果:低

可行性:中等的共同效益:高的后果:低

可行性:低共同效益:低后果:低

成本近似使用现有公布的估计，并假设实施规模足以补偿(从工业化前的树叶)双倍的CO，并保持50年。$$ = 100 - 1000亿美元，$$$ = 1000亿-1万亿美元，$$$ = 1-10+万亿美元b硫酸盐气溶胶的预计成本为2-7万亿美元，而优化反射太阳辐射的新型人造气溶胶的成本预计为150 - 400亿美元

继续阅读:地球工程策略增加行星反照率

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