Energetická nerovnováha Zeme

Energetická nerovnováha Zeme popisuje jav, kedy sa v nejakom intervale (mesiac či viac) vyskytne rozdiel medzi medzi získanou energiou zo slnečnej radiácie (pohltené žiarenie) a emitovanou energiou zo Zeme (terrestrické žiarenie do vesmíru). Rozoznávame pozitívnu nerovnováhuzo systému uniká menej energie ako je prijatej, alebo negatívnu nerovnováhuzo systému uniká viac energie ako je prijatej. Dôležitými ukazateľmi súAbsorbovaná solárna radiácia (ASR) a Vyžarované dlhovlnné žiarenie (OLR – z angl. Outgoing longwave radiation). Energetická nerovnováha Zeme je pak EEI = ASROLR. Vyjadruje sa najčastejšie ako bilancia žiarivého toku pre meter štvorcový povrchu Zeme. Do roku 2015 na m2 pripadal necelý watt, v období január 2020 - október 2023 narástla až na 1⅓ W/m2, najmä poklesom albeda Zeme čiže nárastom ASR, ko ktorému iba málo prispel nárast insolácie planéty vplyvom slnečného cykla.
Prejavy a príčiny.
Prejavom nerovnováhy energetického systému Zeme je klimatická zmena ako snaha Zemského systému priblížiť sa radiačnej rovnováhe. So zvýšenou koncentráciou skleníkových plynov v atmosfére sa nerovnováha stáva pozitívnou s rôznymi prejavmi: nárast priemernej svetovej teploty, zvýšená teplota oceánov, stúpanie hladiny oceánov alebo zrýchlenie hydrologického cyklu.
Energetická bilancia je určená viacerými faktormi klimatického systému – skleníkové plyny, aerósoly, albedo, oblačnosť, vegetácia alebo spôsoby využitia krajiny a taktiež variácie teploty čiže aj sálania povrchu oceánov najmä pri striedaní stavov El Nino a La Nina. Tieto faktory spôsobujú medziročnú variáciu energetickej nerovnováhy Zeme.
Oblačnosť je síce premenlivá, ale pozorovania aj modely ukazujú, že nad oceánmi s oteplovaním ubývajú vrstvy stratokumulov, čiže klesá zemské albeco, čo je zesilujúca zpetná vazba vedúca k nárastu energetickej nerovnováhy.
Jednotky, v ktorých sa energetická bilancia uvádza sú rovnaké ako pre inzenzitu žiareniaW/m2. 
Za obdobie 19712018 bola na priemernej úrovni 0.47 W/m2. Za poslednú dekádu táto hodnota výrazne stúpala a za obdobie 20102018 sa jej hodnota vyšplhala až na úroveň 0.87 W/m2, čím sa prakticky zdvojnásobila. Najaktuálnejšie hodnoty za obdobie od januára 2020 do júna 2023 sú na hodnote až 1.36 W/m2. Ak bude pretrvávať rastúci trend, bude to znamenať zrýchlený nárast priemernej globálnej teploty a otepľovania planéty. Mesačné maximá EEI za posledné 3 roky presiahli hodnotu 2.5 W/m2 už trikrát a zároveň rastú aj mesačné minimá. Ročný kĺzavý priemer pre posledné merané obdobie ku koncu roka 2023 atakuje hodnotu 2 W/m2, čo indikuje neustály rast energetickej nerovnováhy. Súbežne od roku 2015 narastá ASR znížením albeda Zeme o 0.4 %. Priemerné hodnoty ASR sa v rokoch 20152019 vôči začiatku storočia zvýšily o 0.99 W/m2 a v rokoch 20202023 o 1.4 W/m2. Hodnoty nárastu ASR sú v porovnaní s nárastom energetickej nerovnováhy nižšie, pretože otepľovanie zároveň zvýšilo únik tepla do vesmíru.
V súčasnosti je energetická nerovnováha spôsobená prevažne ľudskými činnosťami a je jedinou príčinou globálneho otepľovania. Je určujúcim faktorom pre mieru a rýchlosť otepľovania alebo ochladzovania Zeme a takisto slúži ako indikátor budúcej klimatickej zmeny. Jednou z príčin prudkého nárastu sú nové reštrikcie pre emísie síry z palív využívaných lodnou dopravou z roku 2015 a 2020.
Komponenty klimatického systému.
Dôležitým aspektom je teplotná kapacita komponentov klimatického systému – atmosféra, pevnina, oceány a kryosféra.
Väčšina prebytkovej energie je skladovaná oceánmi, ide približne o 89 % z celkovej tepelnej bilancie. Vrchná vrstva svetových oceánov s hrúbkou približne 700 m bola za posledné dekády otepľovaním ovplyvnená najviac. Naopak vrstvám nižšie ako 700 m možno pripísať až 25 % nárastu obsahu tepla v oceánoch od roku 1971. Oceán sa týmto spôsobom podiela na ukladaní prebytočnej energie, čím v čase odkladá prejavy klimatickej zmeny. Prejavy by nastali oveľa rýchlejšie, ak by boli vrchné vrsty oceánu statické a nepremiešavali by sa s chladnejšími spodnými vrstvami. Takýmto spôsobom sa vrchné vrstvy oteplujú pomalšie, klimatické reakcie sú miernejšie, no do budúcna sa očakáva ďalšie otepľovanie, ktorého prejavy sa budú znásobovať. Ak by nastalo zníženie energetickej nerovnováhy, oteplovanie oceánov by sa spomalilo. Teplotné anomálie vo vrchných vrstvách rovníkových oceánov (300m) určujú prebytkovú energiu (alebo nedostatkovú) dostupnú pre uvoľnenie do atmosféry (získanie z atmosféry). V prípade vysokých prebytkov sú tieto hodnoty spoľahlivým indikátorom intenzity fenoménu El Niño.
Atmosféra dokáže zachytiť iba frakciu v porovnaní s oceánom. Termálna kapacita atmosféry sa dá prirovnať k vrchnej 2,5 m hrubej vrstve oceánov, čo predstavuje približne 1 % z celkovej tepelnej bilancie.
Pevnina je rovnako takmer zanedbateľná, kde je jedným z dôvodov 2 – 6 násobne vyššia variabilita povrchovej teploty v porovnaní s povrchovou teplotou oceánov. Z celkovej bilancie pevnina absorbuje približne 4 % z celkovej tepelnej bilancie. Pri pevnine je dôležitý spôsob jej využívania, forma hospodárenia, miera odlesňovania, miera zastavaných plôch a i.
V prípade pevninských ľadovcov je termálna kapacita na ročnej báze stabilná, keďže prienik tepelnej energie prebieha vodivým procesom. Z celkovej bilancie na komponent kryosféry pripadá približne 4 % z tepelnej bilancie. Morský ľad v Arktíde zaznamenal od roku 2015 zásadný úbytok, čo prispelo k nárastu ASR znížením albeda.
Energetická nerovnováha za prvých 15 rokov 21. storočia bola na úrovni 0.7 W/m2 a ASR sa držala na relatívne stabilnej úrovni. Od roku 2015 zaznamenala ASR enormný nárast, ktorý sa pripisuje obmedzeniam emitovania aerosólov pre lodnú dopravu. Tieto nariadenia boli zavedené práve v roku 2015 a sprísnené v roku 2020. Toto opatrenie mohlo prispieť k 0.51 W/m2 rozdielu v klimatickom systéme.
Rola v klimatickom systéme.
Energetická bilancia Zeme určuje počasie a klímu, pretože tieto dva javy závisia od rozdielov vyžarovaného tepla v spojitosti s energetickým tokom poháňaným atmosférou alebo oceánom.
Na medziročnom horizonte je energetická bilancia Zeme ovplyvňovaná fenoménom El Niňo, kde prebieha výmena energie medzi oceánom a atmosférou. Z hľadiska dlhšieho časového horizontudekádyovplyvňuje energetickú bilanciu Zeme Pacifická dekádová oscilácia (PDO) alebo zmena intezity dopadajúceho slnečného žiarenia, silné vulkanické erupcie alebo antropogénne činnosti. Za posledné dekády sa antropogénny príspevok zvýšil do takej miery, že ostatné faktory majú minimálny príspevok. Najzásadnejšie prispievajúcimi faktormi za posledné dekády boli antropogénne aerosóly v atmosfére a zmena vo využívaní suchozemského prostredia. V atmosfére dominovali skleníkové plyny antropogenného pôvodu, čím sa kumulovala nadmerná energia, stimulujúc globálne otepľovanie. Ak sa naplnia predikcie zmien v klimatickom systéme, oteplenie stúpne do roku 2030 až na úroveň +1.6 až 1.7°C, čím prekročíme hranicu 1.5°C deklarovanú Parížskou dohodou skôr ako bolo predpokladané.
Spôsoby merania.
Zber dát prebieha pomocou globálnych observačných systémov, vrátane tých z vesmíru. Satelitné merania zmien ASR aj OLR sú mimoriadne presné, avšak pretože obidve hodnoty sú veľmi veľké, ich (relatívne "maličký") rozdiel, odhad EEI, má prílišnú neistotu. Tá sa rádovo znižuje naviazaním na dobre meraný nárast teplôt v hĺbkach oceánov. Robustné odhady EEI sú priemerované minimálne za dekádu.
Výzvy.
Z hľadiska lepšieho porozumenia fenoménu energetickej bilancie Zeme bude nutné skúmať lokálne energetické výkyvy a celkový (čistý) energetický prírastok. Zásadné bude identifikovať aké sú zdroje tepla, od kiaľ a kam sa distribuujú, kde a ako sa ukladá v rámci Zemského energetického systému. Klimatický systém je aj naďalej potrebné skúmať pre definovanie konkrétnych reakcií na klimatickú krízu v nadchádzajúcich rokoch.