Bilans Energii w Atmosferze
Bilans energii w systemie klimatycznym określony jest przez następujące strumienie: radiacyjne, ciepła odczuwalnego i utajonego. Przy czym ze względu na rozłączność widm promieniowania w atmosferze rozróżnia sie promieniowanie słoneczne oraz długofalowe emitowane przez powierzchnię Ziemi oraz atmosferę. Tym samym analizując strumienie energii w atmosferze wygodnie jest operować czteroma strumieniami energii.
Jeśli spojrzymy na ziemski system klimatyczny z kosmosu to możemy stwierdzić, że w skali kilkudziesięciu lat system ten jest bliski stanu quasi równowagi określonej przez docierające promieniowanie słoneczne oraz uciekające w kosmos promieniowanie długofalowe oraz rozproszone wstecznie promieniowanie słoneczne. Głównym argumentem stojącym za tą tezą są niewielkie zmiany temperatury widoczne w perspektywie dziesiątek lat. Nawet jeśli przyjąć, że tempo ocieplania klimatu wynosi 1o na 100 lat to zmiany te są bardzo małe. Również wyniki obserwacji strumieni bilansu radiacyjnego na górnej granicy atmosfery potwierdzają tę tezę. Na podstawie opublikowanego w 2009 roku artykułu Trenbertha wynika, że do górnej granicy atmosfery dociera średnio 341.3 W/m2 (co stanowi 25% wartości stałej słoneczne), zaś 101.9 W/m2 z tego promieniowania jest rozpraszania wstecznie i ucieka w kosmos. Tym samym albedo planetarne wynosi około 29.9%. Promieniowanie długofalowe uciekające w kosmos wynosi 238.5 W/m2 co oznacza, że bilans na górnej granicy atmosfery wynosi +0.9 W/m2. Stanowi to zaledwie 0.25% strumienia promieniowania dochodzącego od Słońca. Odchylenie od stanu równowagi radiacyjnej jest więc bardzo niewielkie a dodatnia wartość świadczy o nadwyżce energii pochłoniętej i ogrzewaniu się systemu klimatycznego co jest zgodne z obserwacjami globalnej temperatury powietrza.
Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, and J. Kiehl, 2009: Earth's Global Energy Budget. Bull. Amer. Meteor. Soc., 90, 311–323.
Analizując składowe bilansu radiacyjnego w atmosferze dochodzimy do wniosku, że wynosi on około -93 W/m2. Jest to równoznaczne z wychładzaniem powietrza na poziomie około 1o/dobę. Gdyby tak było atmosfera bardzo szybko wychodziłaby się do niespotykanie na Ziemi niskich temperatur. Musimy więc do czynienia z transportem energii od powierzchni Ziemi do atmosfery. Rolę tę w atmosferze spełnia konwekcja, dzięki której energia w postaci ciepła odczuwalnego oraz utajonego (ciepło przemiany fazowej pary wodnej) jest przenoszona do góry. Strumienie te wynoszą średnio 16 W/m2 oraz 76 W/m2 odpowiednio dla ciepła odczuwalnego i utajonego. Sumując wszystkie składowe strumieni otrzymujemy wartości około -1.0 W/m2. Bilans energii w atmosferze jest więc ujemny co jest zgodne z obserwacjami temperatury powietrza, która obniża się systematycznie w stratosferze. Bilans energii na powierzchni Ziemi jest dodatni i wynosi około 0.9 W/m2. Jest to zgodne z dodatnim trendem temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi oraz powierzchni oceanów jaką obserwuje się w ostatnich dziesięcioleciach. Analizują strumienie energii na powierzchni Ziemi zauważamy, że powierzchnia Ziemi dotrzymuje ogromną porcję energii w postaci zwrotnego promieniowanie długofalowego reemitowanego przez atmosferę. Jego wartość dwukrotnie przewyższa strumień promieniowania słonecznego co może w pierwszym momencie wydawać się dziwne. Należy jednak na ten strumień popatrzeć w sposób bardziej ogólny, że zmniejsza on efektywne wypromieniowanie Ziemskie energii w postaci promieniowania podczerwonego. Strumień promieniowania zwrotnego jest niczym innym jak przejawem efektu cieplarnianego w atmosferze a największy wkład w jego wartości wnoszą chmury, para wodna, CO2 oraz inne gazy cieplarniane.
Przedstawiony po wyżej bilans energii w atmosferze odnosi się do średniej liczonej w latach. Chwilowy bilans energii w zależności od pory dnia, roku oraz szerokości, długości geograficznej i wysokości nad poziom morza może znacząco się różnic i mieć wartości liczone w dziesiątkach i setkach W/m2. Nic więc dziwnego, że temperatura powietrza przy tak silnym niezbilansowaniu energii może zmieniać się na poziomie nawet kilku stopni na godzinę. W skali klimatycznej niezbilansowanie energii jest bardzo małe (na poziomie ułamków procentów strumienia promieniowania słonecznego) co przekłada się na znacznie mniejsze zmiany temperatury powietrza.