ميزانية طاقة الأرض

تُقاس كمية الطاقة الإجمالية المُستقبلة في الثانية الواحدة عند قمة الغلاف الجوي للأرض (TOA) بالواط ، وتُحسب بضرب الثابت الشمسي في مساحة المقطع العرضي للأرض المُقابلة للإشعاع. ولأن مساحة سطح الكرة تساوي أربعة أضعاف مساحة مقطعها العرضي (أي مساحة الدائرة)، فإن متوسط ​​التدفق الإشعاعي العالمي والسنوي عند قمة الغلاف الجوي يُساوي ربع الثابت الشمسي، أي ما يُقارب 340  واط لكل متر مربع (واط/م² ⁾ . ^{[ 8 ] [ 9 ]} ونظرًا لاختلاف الامتصاص باختلاف الموقع، وكذلك باختلاف التغيرات اليومية والموسمية والسنوية، فإن الأرقام المذكورة هي متوسطات لعدة سنوات مُستقاة من قياسات أقمار صناعية متعددة. ^{[ 8 ]}

من بين حوالي 340  واط/م² ^من الإشعاع الشمسي الذي تتلقاه الأرض، ينعكس ما معدله 77  واط/م² ^{تقريبًا}  إلى الفضاء بواسطة السحب والغلاف الجوي، بينما ينعكس 23 واط/م² ^{تقريبًا بواسطة} بياض سطح الأرض ، ليتبقى حوالي 240  واط/م² ^من الطاقة الشمسية التي تدخل إلى ميزانية طاقة الأرض. تُسمى هذه الكمية بالإشعاع الشمسي الممتص (ASR). وهي تُشير إلى قيمة تقارب 0.3 لمتوسط ​​صافي بياض الأرض، والذي يُسمى أيضًا بياض بوند (A): ^{[ 8 ]}

${\displaystyle ASR=(1-A)\times 340~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}\simeq 240~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}.}$

تغادر الطاقة كوكب الأرض على شكل إشعاع حراري طويل الموجة . الإشعاع الحراري طويل الموجة هو إشعاع كهرومغناطيسي حراري ينبعث من سطح الأرض وغلافها الجوي. يقع هذا الإشعاع ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء ، ولكن المصطلحين ليسا مترادفين، إذ يمكن أن يكون الإشعاع تحت الأحمر قصير الموجة أو طويل الموجة . يحتوي ضوء الشمس على كميات كبيرة من الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة . يُستخدم أحيانًا طول موجي عتبة يبلغ 4 ميكرومترات للتمييز بين الإشعاع الحراري طويل الموجة والإشعاع الحراري قصير الموجة.

بشكل عام، تتحول الطاقة الشمسية الممتصة إلى أشكال مختلفة من الطاقة الحرارية. يتحول جزء من الطاقة الشمسية التي تمتصها الأسطح إلى إشعاع حراري بأطوال موجية تقع ضمن " النافذة الجوية "؛ ويستطيع هذا الإشعاع المرور عبر الغلاف الجوي دون عوائق والهروب مباشرة إلى الفضاء، مساهمًا في الإشعاع الحراري الصادر. أما الجزء المتبقي من الطاقة الشمسية الممتصة، فينتقل صعودًا عبر الغلاف الجوي من خلال آليات نقل حرارة متنوعة، إلى أن يتمكن جزء من هذه الطاقة أيضًا من الهروب إلى الفضاء، مساهمًا بدوره في الإشعاع الحراري الصادر. على سبيل المثال، تنتقل الحرارة إلى الغلاف الجوي عبر النتح والتبخر وتدفقات الحرارة الكامنة أو عمليات التوصيل / الحمل الحراري ، بالإضافة إلى النقل الحراري الإشعاعي. ^{[ 8 ]} في النهاية، تُشع جميع الطاقة الخارجة إلى الفضاء على شكل إشعاع طويل الموجة.

يخضع انتقال الإشعاع ذي الموجات الطويلة من سطح الأرض عبر غلافها الجوي متعدد الطبقات لمعادلات نقل الإشعاع مثل معادلة شوارزشيلد لنقل الإشعاع (أو معادلات أكثر تعقيدًا في حالة وجود تشتت) ويخضع لقانون كيرشوف للإشعاع الحراري .

ينتج نموذج الطبقة الواحدة وصفًا تقريبيًا لـ OLR والذي ينتج درجات حرارة على السطح (T _s = 288 كلفن ) وفي منتصف التروبوسفير ( Ta = ₂₄₂ كلفن ) قريبة من متوسط ​​القيم المرصودة: ^{[ 10 ]}  

${\displaystyle OLR\simeq \epsilon \sigma T_{\text{a}}^{4}+(1-\epsilon )\sigma T_{\text{s}}^{4}.}$

في هذا التعبير ، σ هو ثابت ستيفان-بولتزمان و ε يمثل انبعاثية الغلاف الجوي، وهو أقل من 1 لأن الغلاف الجوي لا ينبعث ضمن نطاق الطول الموجي المعروف باسم النافذة الجوية .

تساهم الهباءات الجوية والسحب وبخار الماء وآثار غازات الدفيئة في قيمة فعالة تبلغ حوالي ε = 0.78 . وتحافظ الحساسية العالية لدرجة الحرارة (من الدرجة الرابعة) على توازن شبه تام بين تدفق الطاقة الخارجة والتدفق الداخل عبر تغيرات طفيفة في درجات الحرارة المطلقة للكوكب .

من منظور الفضاء المحيط بالأرض، تؤثر الغازات الدفيئة على انبعاثية الغلاف الجوي للكوكب ( ε ). وبالتالي، يمكن أن تؤدي التغيرات في تركيب الغلاف الجوي إلى تغيير توازن الإشعاع الكلي. على سبيل المثال، يؤدي ازدياد احتباس الحرارة نتيجة ارتفاع تركيز الغازات الدفيئة (أي تعزيز تأثير الاحتباس الحراري ) إلى انخفاض الإشعاع الحراري الصادر (OLR ) واختلال توازن الطاقة (التعويضي). ^{[ 11 ]} في نهاية المطاف، عندما تزداد أو تنقص كمية الغازات الدفيئة، ترتفع أو تنخفض درجات حرارة سطح الأرض حتى يتساوى الإشعاع الشمسي الممتص مع الإشعاع الحراري الصادر (OLR).

يُقدّر تدفق الحرارة الجوفية من باطن الأرض بنحو 47 تيراواط (TW) ^{[ 12 ]} ، ويتوزع بالتساوي تقريبًا بين الحرارة الإشعاعية والحرارة المتبقية من تكوين الأرض. وهذا يُعادل متوسط ​​تدفق يبلغ 0.087  واط/م² ^، ويمثل 0.027% فقط من إجمالي طاقة الأرض على السطح، وهو رقم ضئيل مقارنةً بـ173000 تيراواط  من الإشعاع الشمسي الوارد . ^{[ 13 ]}

يُعدّ إنتاج الطاقة البشري أقل من ذلك بكثير، حيث يبلغ متوسطه 18  تيراواط، أي ما يُقدّر بنحو 160,000  تيراواط ساعة، وذلك طوال عام 2019. ^{[ 14 ]} ومع ذلك، يتزايد الاستهلاك بسرعة، كما أن إنتاج الطاقة باستخدام الوقود الأحفوري يُؤدي إلى زيادة في غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي، مما يُسبب اختلالًا في التوازن بين التدفقات الداخلة والخارجة من الإشعاع الشمسي يزيد عن 20 ضعفًا . ^{[ 15 ]}

كما أن لعملية التمثيل الضوئي تأثيراً كبيراً: إذ يُقدّر أن حوالي 140  تيراواط (أو ما يقارب 0.08%) من الطاقة الساقطة تُمتصّ بواسطة عملية التمثيل الضوئي، مما يمنح النباتات الطاقة اللازمة لإنتاج الكتلة الحيوية . ^{[ 16 ]} وينطلق تدفق مماثل من الحرارة على مدار العام عندما تُستخدم النباتات كغذاء أو وقود.

عادةً ما يتم تجاهل مصادر الطاقة الثانوية الأخرى في الحسابات، بما في ذلك تراكم الغبار بين الكواكب والرياح الشمسية ، والضوء القادم من النجوم الأخرى غير الشمس، والإشعاع الحراري من الفضاء. في وقت سابق، ادعى جوزيف فورييه أن إشعاع الفضاء السحيق كان ذا أهمية كبيرة في ورقة بحثية غالباً ما يُستشهد بها باعتبارها الأولى حول ظاهرة الاحتباس الحراري . ^{[ 17 ]}

لتوضيح بعض التدفقات الداخلية ضمن الميزانية، لنفترض أن الإشعاع الشمسي الوارد إلى أعلى الغلاف الجوي يساوي 100 وحدة (  340  واط/م² ⁾ ، كما هو موضح في مخطط سانكي المرفق. يُطلق على هذا الإشعاع اسم بياض الأرض، وفي هذا المثال، ينعكس حوالي 35 وحدة منه مباشرةً إلى الفضاء: 27 وحدة من قمم السحب، ووحدتان من المناطق المغطاة بالثلوج والجليد، و6 وحدات من أجزاء أخرى من الغلاف الجوي. أما الوحدات الـ 65 المتبقية (الإشعاع الشمسي المطلق  =  220  واط/م² ⁾ فتُمتص: 14 وحدة داخل الغلاف الجوي و51 وحدة بواسطة سطح الأرض.

تُشعّ الوحدات الـ 51 التي تصل إلى سطح الأرض وتمتصها إلى الفضاء عبر أشكال مختلفة من الطاقة الأرضية: 17 وحدة تُشعّ مباشرةً إلى الفضاء، و34 وحدة يمتصها الغلاف الجوي (19 وحدة عبر الحرارة الكامنة للتبخر ، و9 وحدات عبر الحمل الحراري والاضطراب، و6 وحدات كأشعة تحت حمراء تمتصها غازات الاحتباس الحراري ). ثم تُشعّ الوحدات الـ 48 التي يمتصها الغلاف الجوي (34 وحدة من الطاقة الأرضية و14 وحدة من الإشعاع الشمسي) عائدةً إلى الفضاء. يُغفل هذا المثال المبسط بعض تفاصيل الآليات التي تُعيد تدوير الحرارة وتخزينها، مما يؤدي إلى تراكمها بالقرب من سطح الأرض.

في نهاية المطاف، تُنبعث 65 وحدة (17 من سطح الأرض و48 من الغلاف الجوي) على شكل إشعاع حراري خارجي. وهي تُعادل تقريبًا 65 وحدة (إشعاع شمسي سطحي) ممتصة من الشمس للحفاظ على صافي اكتساب طاقة صفري للأرض. ^{[ 18 ]}

تُعدّ اليابسة والجليد والمحيطات، إلى جانب الغلاف الجوي، مكونات مادية فعّالة لنظام مناخ الأرض. فهي تتمتع بكتلة وسعة حرارية أكبر بكثير ، وبالتالي بقصور حراري أكبر . عند امتصاص الإشعاع مباشرةً أو عند تغير درجة حرارة السطح، تتدفق الطاقة على شكل حرارة محسوسة إما إلى داخل أو خارج كتلة هذه المكونات عبر عمليات نقل الحرارة بالتوصيل والحمل . كما يعمل تحوّل الماء بين حالاته الصلبة والسائلة والبخارية كمصدر أو مستودع للطاقة الكامنة على شكل حرارة كامنة . تُخفف هذه العمليات من تأثير بعض التغيرات الإشعاعية السريعة في الغلاف الجوي على ظروف السطح. ونتيجةً لذلك، يكون الفرق في درجات حرارة السطح بين النهار والليل ضئيلاً نسبيًا. وبالمثل، يُظهر نظام مناخ الأرض ككل استجابة بطيئة للتغيرات في توازن الإشعاع الجوي. ^{[ 19 ]}

تحتوي الطبقات العليا من محيطات الأرض، والتي لا تتجاوز بضعة أمتار، على طاقة تفوق طاقة غلافها الجوي بأكمله. ^{[ 20 ]} ومثل الغازات الجوية، تنقل مياه المحيطات كميات هائلة من الطاقة فوق سطح الكوكب. كما تنتقل الحرارة المحسوسة من وإلى أعماق كبيرة في ظل ظروف تُفضّل ظاهرة الهبوط أو الصعود . ^{[ 21 ] [ 22 ]} ويرصد العلماء عمليات نقل الطاقة واسعة النطاق هذه من خلال قياس التغيرات في المحتوى الحراري للمحيطات . ^{[ 23 ]}

تم تخزين أكثر من 90% من الطاقة الزائدة المتراكمة على الأرض نتيجة الاحتباس الحراري المستمر منذ عام 1970 في المحيطات . ^{[ 20 ]} وقد وصل حوالي ثلث هذه الطاقة إلى أعماق تتجاوز 700  متر. كما ارتفع معدل النمو الإجمالي خلال العقود الأخيرة، ليصل إلى ما يقارب 500  تيراواط (1  واط/م² ⁾ بحلول عام 2020. ^{[ 24 ] [ 5 ]} وقد أدى ذلك إلى اكتساب حوالي 14 زيتاجول (ZJ) من الحرارة سنويًا، متجاوزًا بذلك 570 إكساجول (=160,000 تيراواط-ساعة ^{[ 14 ]} ) من إجمالي الطاقة الأولية التي يستهلكها البشر بما لا يقل عن 20 ضعفًا. ^{[ 15 ]}    

بشكل عام، يمكن اعتبار التغيرات في توازن تدفق الطاقة على سطح الأرض ناتجة عن قوى خارجية (طبيعية وبشرية، إشعاعية وغير إشعاعية)، وردود فعل النظام ، والتقلبات الداخلية للنظام . ^{[ 25 ]} وتتجلى هذه التغيرات بشكل أساسي في تحولات ملحوظة في درجة الحرارة (T)، والغيوم (C)، وبخار الماء (W)، والهباء الجوي (A)، وآثار غازات الدفيئة (G)، وانعكاس سطح الأرض/المحيطات/الجليد (S)، بالإضافة إلى تحولات طفيفة في الإشعاع الشمسي (I)، من بين عوامل أخرى محتملة. ويمكن بعد ذلك تحليل معدل تسخين/تبريد الأرض على مدى فترات زمنية محددة (Δt) باعتباره التغير الصافي في الطاقة (ΔE) المرتبط بهذه الخصائص.

$// t\\\\&=ASR-OLR.\end{محاذاة}}}$

هنا، يكون الحد ΔE _T ، الذي يتوافق مع استجابة بلانك ، سالب القيمة عندما ترتفع درجة الحرارة بسبب تأثيره المباشر القوي على الإشعاع الحراري الصادر. ^{[ 26 ] [ 24 ]}

يؤدي الارتفاع الأخير في تركيزات غازات الدفيئة النزرة إلى تعزيز تأثير الاحتباس الحراري، وبالتالي زيادة في قيمة ΔE_{_G} . في المقابل، يمكن أن يؤدي ثوران بركاني كبير (مثل بركان جبل بيناتوبو عام 1991 ، وبركان إل تشيتشون عام 1982) إلى حقن مركبات الكبريت في طبقات الجو العليا. وقد تستمر التركيزات العالية من رذاذ الكبريت في طبقة الستراتوسفير لعدة سنوات، مما ينتج عنه تأثير سلبي على قيمة ΔE_{_A} . ^{[ 27 ] [ 28 ]} وتساهم أنواع أخرى من انبعاثات الهباء الجوي الناتجة عن الأنشطة البشرية في كل من التأثيرات الإيجابية والسلبية على قيمة ΔE_{_A}. وتنتج الدورات الشمسية قيم ΔE_{_I أقل من تلك الخاصة باتجاهات ΔE_G} الحديثة الناتجة عن النشاط البشري. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

تُعدّ العوامل المؤثرة على المناخ معقدة، إذ يُمكنها إنتاج تأثيرات ارتدادية مباشرة وغير مباشرة تُؤدي إلى تكثيف ( تأثير ارتدادي إيجابي ) أو إضعاف ( تأثير ارتدادي سلبي ) التأثير الأصلي. وغالبًا ما تتبع هذه التأثيرات استجابة درجة الحرارة. يُمثل بخار الماء تأثيرًا ارتداديًا إيجابيًا فيما يتعلق بتغيرات درجة الحرارة نتيجةً لتغيرات التبخر وعلاقة كلاوزيوس-كلابيرون . وتؤدي زيادة بخار الماء إلى زيادة في ΔEW _نتيجةً لزيادة تأثير الاحتباس الحراري. ومن التأثيرات الارتدادية الإيجابية الأبطأ تأثير ارتدادي للجليد . فعلى سبيل المثال، يُؤدي فقدان جليد القطب الشمالي بسبب ارتفاع درجات الحرارة إلى جعل المنطقة أقل انعكاسًا، مما يُؤدي إلى امتصاص أكبر للطاقة ومعدلات ذوبان أسرع للجليد، وبالتالي تأثير إيجابي على ΔES _. [ ^{31 ] وبشكل} عام، تميل التأثيرات الارتدادية، باستثناء استجابة بلانك، إلى تضخيم ظاهرة الاحترار أو التبريد العالمي. ^{[ 32 ] : 94}

تُشكّل السحب حوالي نصف بياض الأرض ، وهي تعبير قوي عن التباين الداخلي للنظام المناخي. ^{[ 33 ] [ 34 ]} وقد تعمل أيضًا كعوامل تغذية راجعة للقوى المؤثرة، بل وقد تكون هي نفسها قوى مؤثرة إذا كانت، على سبيل المثال، نتيجة لنشاط تلقيح السحب . وتختلف مساهماتها في ΔE _C إقليميًا وحسب نوع السحب. وتُجمع القياسات من الأقمار الصناعية بالتزامن مع عمليات المحاكاة من النماذج في محاولة لتحسين الفهم وتقليل عدم اليقين. ^{[ 35 ]}

يمكن حساب المحتوى الحراري الكوكبي الموجود في النظام المناخي بمعرفة السعة الحرارية والكثافة وتوزيعات درجات الحرارة لكل مكون من مكوناته. وقد تم أخذ عينات من معظم المناطق ومراقبتها بشكل جيد إلى حد معقول، باستثناء أعماق المحيطات. ^{[ 40 ]}

تم حساب تقديرات القيمة المطلقة لمؤشر كفاءة الطاقة (EEI) باستخدام التغيرات المقاسة في درجات الحرارة خلال فترات زمنية متعددة العقود. بالنسبة للفترة من 2006 إلى 2020، كان مؤشر كفاءة الطاقة (EEI) حوالي+0.76 ± 0.2  واط/م² ^، وأظهرت زيادة ملحوظة فوق المتوسط.+0.48 ± 0.1  واط/م ² للفترة من 1971 إلى 2020. ^{[ 5 ]}

كان مؤشر EEI إيجابياً نظراً لارتفاع درجات الحرارة في معظم المناطق على مدى أكثر من 50 عاماً. تُحسب درجة حرارة سطح الأرض العالمية (GST) عن طريق حساب متوسط ​​درجات الحرارة المقاسة على سطح البحر بالإضافة إلى درجات حرارة الهواء المقاسة فوق اليابسة. وتشير بيانات موثوقة تمتد إلى عام 1880 على الأقل إلى أن درجة حرارة سطح الأرض العالمية شهدت ارتفاعاً مطرداً بنحو 0.18  درجة مئوية لكل عقد منذ عام 1970 تقريباً. ^{[ 41 ]}

تُعدّ مياه المحيطات من أكثر المواد امتصاصًا للطاقة الشمسية، وتتمتع بسعة حرارية إجمالية تفوق بكثير سعة الغلاف الجوي. ^{[ 42 ]} وقد قامت سفن ومحطات الأبحاث بأخذ عينات من درجات حرارة البحار في أعماق مختلفة وحول العالم منذ ما قبل عام 1960. إضافةً إلى ذلك، وبعد عام 2000، قامت شبكة متنامية تضم ما يقارب 4000 عوامة روبوتية من طراز Argo بقياس شذوذ درجة الحرارة، أو ما يُعادله، التغير في المحتوى الحراري للمحيطات (ΔOHC). ومنذ عام 1990 على الأقل، ازداد المحتوى الحراري للمحيطات بمعدل ثابت أو متسارع. ويمثل ΔOHC الجزء الأكبر من إجمالي الطاقة المُستَخلَصة من الطاقة، حيث امتصت المحيطات حتى الآن أكثر من 90% من صافي الطاقة الزائدة الداخلة إلى النظام بمرور الوقت (Δt): ^{[ 43 ] [ 44 ]}

${\displaystyle EEI\gtrsim \Delta OHC/\Delta t}$.

لم تستوعب القشرة الخارجية للأرض والمناطق المغطاة بالجليد السميك سوى القليل نسبيًا من الطاقة الزائدة. ويعود ذلك إلى أن الحرارة الزائدة على أسطحها تتدفق إلى الداخل فقط عن طريق التوصيل الحراري ، وبالتالي لا تخترق سوى بضعة عشرات من السنتيمترات في الدورة اليومية وبضعة عشرات من الأمتار فقط في الدورة السنوية. ^{[ 45 ]} يذهب جزء كبير من الحرارة الممتصة إما إلى إذابة الجليد والتربة الصقيعية أو إلى تبخير المزيد من الماء من التربة.

تقيس عدة أقمار صناعية الطاقة التي تمتصها الأرض وتشعها، ومن ثم تستنتج اختلال توازن الطاقة. تقع هذه الأقمار في أعلى الغلاف الجوي وتوفر بيانات تغطي الكرة الأرضية. شمل مشروع تجربة ميزانية إشعاع الأرض التابع لناسا (ERBE) ثلاثة أقمار صناعية من هذا النوع: قمر ميزانية إشعاع الأرض (ERBS)، الذي أُطلق في أكتوبر 1984؛ والقمر الصناعي NOAA-9، الذي أُطلق في ديسمبر 1984؛ والقمر الصناعي NOAA-10، الذي أُطلق في سبتمبر 1986. ^{[ 46 ]}

تُعدّ أجهزة نظام رصد السحب والطاقة الإشعاعية للأرض (CERES) التابع لناسا جزءًا من نظام رصد الأرض (EOS) منذ مارس 2000. صُمم نظام CERES لقياس كلٍ من الإشعاع الشمسي المنعكس (أطوال موجية قصيرة) والإشعاع المنبعث من الأرض (أطوال موجية طويلة). ^{[ 48 ]} أظهرت بيانات CERES زيادات في مؤشر الطاقة الإشعاعية للأرض (EEI) من+0.42 ± 0.48  واط/م² ^في عام 2005 إلى+1.12 ± 0.48  واط/م² ^في عام 2019. وشملت العوامل المساهمة زيادة بخار الماء، وانخفاض السحب، وارتفاع انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وتراجع الجليد، والتي تم تعويضها جزئيًا بارتفاع درجات الحرارة. ^{[ 24 ] [ 47 ]} وخلصت دراسة لاحقة للسلوك باستخدام نموذج المناخ GFDL CM4/AM4 إلى أن احتمال أن يكون التباين المناخي الداخلي وحده هو سبب هذا الاتجاه أقل من 1%. ^{[ 49 ]}

استخدم باحثون آخرون بيانات من CERES و AIRS و CloudSat وأجهزة أخرى من نظام رصد الأرض (EOS) للبحث عن اتجاهات التأثير الإشعاعي المضمنة في بيانات EEI. وأظهر تحليلهم ارتفاعًا في التأثير الإشعاعي.+0.53 ± 0.11  واط/م² ^خلال الفترة من 2003 إلى 2018. ويعزى حوالي 80% من هذه الزيادة إلى ارتفاع تركيز غازات الاحتباس الحراري، مما أدى إلى انخفاض الإشعاع الشمسي طويل الموجة الصادر. ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}

أشارت قياسات الأقمار الصناعية الإضافية، بما في ذلك بيانات TRMM و CALIPSO ، إلى هطول أمطار إضافية، مدعومة بزيادة الطاقة الخارجة من السطح من خلال التبخر (تدفق الحرارة الكامنة)، مما يعوض بعض الزيادة في تدفق غازات الاحتباس الحراري طويلة الموجة إلى السطح. ^{[ 53 ]}

من الجدير بالذكر أن عدم اليقين في معايرة القياس الإشعاعي يحد من قدرة الجيل الحالي من الأجهزة الفضائية، والتي تتميز في جوانب أخرى بالاستقرار والدقة . ونتيجة لذلك، يمكن قياس التغيرات النسبية في مؤشر كفاءة الطاقة (EEI) بدقة لا يمكن تحقيقها في أي قياس منفرد للاختلال المطلق. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

تشير الملاحظات منذ عام 1994 إلى أن الجليد قد انحسر من جميع أنحاء الأرض بمعدل متسارع. ^{[ 57 ]} كما ارتفع متوسط ​​مستوى سطح البحر العالمي نتيجة لذوبان الجليد بالتزامن مع الارتفاع العام في درجات حرارة المحيطات. ^{[ 58 ]} وقد ساهمت هذه التحولات في إحداث تغييرات ملحوظة في الشكل الهندسي للكوكب وجاذبيته.

تم استنتاج التغيرات في توزيع كتلة الماء داخل الغلاف المائي والغلاف الجليدي باستخدام قياسات الجاذبية التي أجرتها أجهزة القمر الصناعي GRACE . وقورنت هذه البيانات بتضاريس سطح المحيط وبيانات رصد هيدروغرافية إضافية باستخدام نماذج حسابية تأخذ في الحسبان التمدد الحراري وتغيرات الملوحة وعوامل أخرى. وقد اتفقت التقديرات التي تم الحصول عليها لـ ΔOHC وEEI مع التقييمات الأخرى (المستقلة في الغالب) ضمن نطاق عدم اليقين. ^{[ 56 ] [ 59 ]}

حدد علماء المناخ كيفن ترينبيرث وجيمس هانسن وزملاؤهما رصد اختلال توازن طاقة الأرض كمقياس مهم لمساعدة صانعي السياسات على توجيه وتيرة تدابير التخفيف والتكيف . ونظرًا لقصور النظام المناخي ، يمكن لاتجاهات اختلال توازن طاقة الأرض على المدى الطويل أن تتنبأ بتغيرات أخرى "محتملة الحدوث". ^{[ 38 ] [ 60 ] [ 61 ]}

وجد العلماء أن مؤشر الطاقة الإضافية (EEI) هو أهم مقياس مرتبط بتغير المناخ. وهو المحصلة النهائية لجميع العمليات والتفاعلات التي تحدث في النظام المناخي. ^{[ 1 ]} إن معرفة مقدار الطاقة الإضافية التي تؤثر على الأنظمة الجوية وهطول الأمطار أمر بالغ الأهمية لفهم تزايد الظواهر الجوية المتطرفة. ^{[ 1 ]}

في عام 2012، أفاد علماء ناسا أنه لوقف ظاهرة الاحتباس الحراري، يجب خفض تركيز ثاني أكسيد الكربون في _الغلاف  الجوي إلى 350 جزءًا في المليون أو أقل، بافتراض ثبات جميع العوامل المناخية الأخرى. ^{[ 62 ]} وبحلول عام 2020، وصل تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _إلى 415  جزءًا في المليون، وتجاوزت جميع غازات الدفيئة طويلة الأمد تركيزًا مكافئًا _لثاني أكسيد الكربون قدره 500  جزء في المليون ، وذلك نتيجةً للزيادة المستمرة في الانبعاثات البشرية. ^{[ 63 ]}