太陽エネルギーは地球システムの燃料です。水、土地、空気を加熱するのはこのエネルギーです。この加熱は均一には起こりません。地球は球体であるため、太陽は極地域よりも赤道地域をより加熱します。大気と海洋は、地表水の蒸発、対流、雨、風、海洋循環を通じて太陽熱の不均衡を補うために 24 時間体制で働いています。
大気海洋システムは、赤道から極まで太陽熱を再分配するだけでなく、地球の表面や下層大気から宇宙へも再分配します。そうでなければ、地球は無限に熱くなるでしょう。地球の温度は、地表と大気が同時に宇宙に熱を放射しているため、無限に上昇するわけではありません。地球システムに出入りするこの正味のエネルギーの流れは、地球のエネルギー バランスとして知られています。
大気の最上部に到達する太陽エネルギーの約 29% は、雲、大気の粒子、または氷や雪のような光沢のある表面によって宇宙に反射されます。このエネルギーは地球の気候システムにおいて何の役割も果たしません。入ってくる太陽エネルギーの約 23% は水蒸気、塵、オゾンによって大気中に吸収され、48% は大気中を通過して地表に吸収されます。したがって、受け取った総太陽エネルギーの約 71% が地球システムによって吸収されます。
ただし、各プロセスに対する大気と地表の相対的な寄与 (太陽光の吸収と輻射熱) は非対称です。大気は受ける太陽光の 59% に相当する熱を放射します。表面は 12% しか放射しません。言い換えれば、太陽加熱のほとんどは地表で起こり、放射冷却のほとんどは大気中で起こります。地表と大気の間でのエネルギーの再配置はどのようにして起こるのでしょうか?
地球表面のエネルギーバランス
地表のエネルギーバランスを均衡させるためには、地上のプロセスで海洋と地表が吸収する太陽エネルギーの 48% を除去する必要があります。エネルギーは、蒸発、対流、赤外線熱エネルギーの放出という 3 つのプロセスを経て表面から出ます。
入ってくる太陽エネルギーの約 25% が蒸発によって表面から出ます(液体の水分子が入ってくる太陽エネルギーを吸収し、液体から気体に相を変化させます)。入ってくる太陽エネルギーのさらに 5% が対流によって地表から出ます(太陽で加熱された地面と直接接触している空気は熱くなって浮力が生じます)。
最後に、入ってくる太陽エネルギーの約 17% が、表面上の原子や分子によって放射される赤外線熱エネルギー (熱) として表面から出ます。この上向きの正味フラックスは、2 つの大きなながら反対のフラックス、つまり地表から大気へ上向きに流れる熱 (117%) と大気から地表へ下向きに流れる熱 (100%) によって生じます (これらの競合するフラックスは温室効果の一部です)。 。
大気中のエネルギーバランス
衛星測定によると、大気は受け取った太陽エネルギーの 59% に相当する赤外線熱エネルギーを放射しています。大気は受け取った太陽エネルギーの 23% を直接吸収します。蒸発と対流は、地表から受け取った太陽エネルギーの 25 % と 5% を大気中に移動させます。これら 3 つのプロセスにより、入ってくる太陽エネルギーの 53% に相当する量が大気中に移動します。
残りの部分（入ってくる太陽エネルギーの 5 ～ 6%）は、温室効果ガス分子が表面から放射される熱赤外線エネルギーを吸収するときに大気中に移動します。温室効果ガス分子が赤外線熱エネルギーを吸収すると、その温度が上昇します。
温室効果ガスの分子はあらゆる方向に熱を放射するため、その一部は下方に広がり、最終的には地球の表面に再び接触し、そこで吸収されます。表面温度は、太陽熱による直接加熱だけで加熱した場合よりも高温になります。
