Земята има бюджет - енергиен бюджет. Нашата планета непрекъснато се опитва да балансира потока на енергия, който влиза и напуска енергийната система на Земята. Но човешките дейности нарушават този баланс и в резултат нашата планета се затопля.

Лъчистата енергия влиза в системата на Земята от слънчевата светлина. Част от тази енергия се отразява от повърхността или атмосферата на Земята обратно в космоса. Останалото се абсорбира, загрява планетата и след това се излъчва като топлинна енергия по същия начин, по който черният асфалт се нагрява и излъчва топлина в слънчев ден. В крайна сметка тази енергия също се насочва към космоса, но част от нея отново се абсорбира от облаците и парниковите газове в атмосферата. Погълнатата енергия може също да бъде излъчена обратно към земята и да затопли повърхността още повече.

Добавянето на повече компоненти, които поглъщат радиацията, като парниковите газове, или премахването на тези, които я отразяват, като аерозолите, нарушава енергийния баланс на Земята и кара планетата да поеме повече енергия, вместо да я отдели в космоса. Това се нарича радиационно форсиране и това е доминиращият начин, по който човешките дейности оказват влияние върху климата.

Климатичното моделиране прогнозира, че човешките дейности причиняват отделянето на парникови газове и аерозоли, които нарушават енергийния бюджет на Земята.

Сега проучване на НАСА потвърди тези прогнози с директни наблюдения за първи път: радиационното форсиране се увеличава поради човешки действия, които засягат енергийния баланс на планетата и в крайна сметка причиняват климатични промени. Докладът е публикуван онлайн на 25 март 2021 г. в списание Geophysical Research Letters.

Опростена анимация на планетарния енергиен баланс на Земята: Енергийният бюджет на планетата е балансиран между входящо (жълто) и изходящо лъчение (червено). На Земята природните и предизвикани от човека процеси влияят върху количеството получена енергия, както и излъчената обратно в космоса. Това проучване разкрива енергийните промени, причинени от аерозоли и емисии на парникови газове, като ги разграничава от естествените фактори. Кредит: Лаборатория за космически полети Goddard на НАСА по концептуални изображения

„Това е първото изчисление на общото радиационно форсиране на Земята с помощта на глобални наблюдения, като се отчитат ефектите от аерозолите и парниковите газове“, казва Райън Крамер, водещ автор на статията и изследовател в Космическия център полети Годард на НАСА в Грийнбелт, Мериленд и Университета на Мериленд, окръг Балтимор. "Това е пряко доказателство, че човешките дейности причиняват промени в енергийния бюджет на Земята."
 
Проектът НАСА "Облаци и лъчиста енергийна система на Земята" (CERES) изследва потока на радиация в горната част на земната атмосфера. Редица инструменти на CERES непрекъснато летят на спътници от 1997 г. насам. Те измерват колко енергия постъпва в системата на Земята и колко излиза, което дава общата нетна промяна в лъчението. Тези данни, в комбинация с други източници на данни като измерване на топлината в океана, показват, че на нашата планета има енергиен дисбаланс.

"Но това не ни казва какви фактори причиняват промени в енергийния баланс", каза Крамер.

Това проучване използва нова техника, за да анализира каква част от общата промяна на енергията е причинена от хората. Изследователите изчисляват каква част от дисбаланса е причинена от колебания в естествени фактори, като водни пари, облаци, температура и повърхностно албедо (яркостта или отражателната способност на земната повърхност). Например инструментът Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) на сателита Aqua на НАСА измерва водните пари в земната атмосфера. Водните пари абсорбират енергията под формата на топлина, така че промените във водните пари ще повлияят на това колко енергия в крайна сметка напуска системата на Земята. Изследователите изчисляват промяната в енергията, причинена от всеки от тези природни фактори, след което изваждат стойностите от общата сума. Остатъкът е радиационното форсиране.

Други сателити и инструменти, като CERES, наблюдават входящата енергия от Слънцето и енергията, която се излъчва обратно в космоса. Кредит: Студио за научна визуализация на НАСА

Екипът установява, че човешката дейност е причина радиационното форсиране на Земята да се увеличи с около 0,5 W на квадратен метър от 2003 до 2018 г. Увеличението е най-вече от емисиите на парникови газове от производство на електроенергия, транспорт и промишлено производство. Намалените отразяващи аерозоли също допринасят за дисбаланса.

Новата техника е по-бърза от предишните методи, базирани на модели, което позволява на изследователите да наблюдават радиационното форсиране в почти реално време. Методът може да се използва за проследяване на влиянието на човешките емисии върху климата, проследяване на това колко добре работят различните усилия за смекчаване и за оценка на моделите за прогнозиране на бъдещи промени в климата.

"Създаването на директен запис на радиационното форсиране, изчислено от наблюденията, ще ни позволи да оценим доколко климатичните модели могат да симулират тези форсирания", казва Гавин Шмид, директор на Института за космически изследвания (GISS) на НАСА в Ню Йорк. "Това ще ни позволи да правим по-уверени прогнози за бъдещите промени на климата."

Ryan J. Kramer et al. Observational evidence of increasing global radiative forcing, Geophysical Research Letters (2021). DOI: 10.1029/2020GL091585