"Ngân sách năng lượng" của Trái Đất đang mất cân bằng khi phải hấp thụ quá nhiều nhiệt

Sự mất cân bằng sẽ dẫn đến các hiện tượng như nóng lên toàn cầu, băng tan nhanh ở hai cực…

Có thể bạn đã từng được giáo viên khoa học giải thích rằng năng lượng không thể được tạo ra cũng như không thể bị phá hủy, và đó là một thuộc tính cơ bản của vũ trụ.

Tuy nhiên, năng lượng có thể được chuyển hóa. Khi tia sáng Mặt trời chạm đến Trái đất, chúng được biến đổi thành dạng chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử mà bạn có thể cảm nhận là nhiệt. Đồng thời, Trái đất và bầu khí quyển cũng truyền năng lượng bức xạ ngược trở lại không gian. Sự cân bằng giữa năng lượng đến và đi này được gọi là "ngân sách năng lượng" của Trái đất.

Khí hậu của chúng ta được định hình bởi các dòng năng lượng này. Khi năng lượng đi vào nhiều hơn đi ra, nền nhiệt của hành tinh sẽ ấm lên.

Hiện tượng này có thể xảy ra theo một số cách, chẳng hạn như tình trạng lớp băng biển vốn để phản xạ năng lượng bức xạ Mặt trời vào không gian dần biết mất và thay vào đó các đại dương tăm tối hấp thụ số năng lượng đó. Hoặc có thể do các khí nhà kính tích tụ trong bầu khí quyển và giữ lại số năng lượng mà đáng lẽ phải bị "đẩy" ra ngoài.

Các nhà khoa học đã đo lường ngân sách năng lượng của Trái đất từ những năm 1980 bằng cách sử dụng các công cụ trên vệ tinh, trong không khí, đại dương và trên mặt đất. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cách dòng năng lượng di chuyển và những gì mà ngân sách năng lượng cho chúng ta biết về cách thức và nguyên do hành tinh nóng lên.

Cân bằng nguồn năng lượng từ Mặt trời

Hầu như tất cả năng lượng trong hệ thống khí hậu của Trái đất đều đến từ Mặt trời. Chỉ một phần nhỏ là được dẫn lên từ nguồn lõi bên trong Trái đất.

Trung bình, hành tinh của chúng ta nhận 340,4 watt năng lượng Mặt trời trên mỗi mét vuông. Tất cả nguồn năng lượng đó đều giảm vào ban ngày và tăng cao hơn vào buổi trưa.

Trong số 340,4 watt trên một mét vuông thì:

- 99,9 watt bị phản xạ ngược trở lại không gian bởi mây, bụi, tuyết và bề mặt Trái đất.

- 240,5 watt còn lại được hấp thụ, khoảng 1/4 bởi khí quyển và phần còn lại bởi bề mặt hành tinh. Năng lượng bức xạ này được chuyển thành nhiệt năng trong hệ thống khí hậu của Trái đất. Hầu như tất cả năng lượng hấp thụ sẽ kết hợp với năng lượng tán xạ ngược trở lại không gian. Một lượng nhỏ còn lại, 0,6 watt trên mét vuông, tích tụ khi Trái đất nóng lên. Chừng đó có vẻ không nhiều, nhưng nó vẫn là lượng bổ sung cần nhắc đến.

Bầu khí quyển "nuốt" rất nhiều năng lượng và "nhả" nó ra dưới dạng bức xạ cả vào không gian và trở lại xuống bề mặt Trái đất. Trên thực tế, bề mặt Trái đất nhận được lượng bức xạ từ bầu khí quyển gần gấp đôi so với ánh sáng trực tiếp. Điều đó chủ yếu là do Mặt trời chỉ làm nóng bề mặt hành tinh vào ban ngày, trong khi bầu không khí ấm áp ở trên đó 24/7.

Cùng nhau, năng lượng đến bề mặt Trái đất từ ​​Mặt trời và từ khí quyển là khoảng 504 watt trên mỗi mét vuông. Bề mặt Trái đất thoát khoảng 79% lượng nhiệt đó ra ngoài. Phần năng lượng bề mặt còn lại truyền vào nước bay hơi và làm ấm không khí, đại dương và đất liền.

Phần nhiệt còn lại rất nhỏ giữa ánh nắng Mặt trời chiếu tới và tia hồng ngoại đi ra là do sự tích tụ của các khí nhà kính, chẳng hạn như carbon dioxide trong không khí. Những khí này là trong suốt đối với ánh sáng Mặt trời nhưng không trong suốt đối với tia hồng ngoại, vì thế chúng hấp thụ và phát ra rất nhiều tia hồng ngoại ngược trở lại.

Nhiệt độ bề mặt Trái đất sẽ tăng lên cho đến khi cân bằng giữa năng lượng bức xạ đến và đi được khôi phục.

Điều này có ý nghĩa gì đối với nhiệt độ toàn cầu?

Tăng gấp đôi lượng carbon dioxide sẽ làm tăng thêm 3,7 watt nhiệt đối với mỗi mét vuông của Trái đất. Hãy tưởng tượng nó như thể những chiếc đèn ngủ bằng sợi đốt đời cũ được đặt cách nhau 0,9 mét trên toàn thế giới, và tồn tại mãi mãi như thế.

Với tốc độ phát thải hiện tại, mức khí nhà kính sẽ tăng gấp đôi so với thời điểm tiền công nghiệp vào giữa thế kỷ này.

Các nhà khoa học khí hậu tính toán rằng việc gia tăng nhiều nhiệt như thế sẽ làm khí hậu Trái đất ấm lên khoảng 3 độ C. Để ngăn chặn điều này đòi hỏi phải thay thế nguồn năng lượng từ đốt nhiên liệu hóa thạch - nguồn phát thải khí nhà kính hàng đầu bằng các dạng năng lượng khác.