地球表層(気候システム)のエネルギー収支のうち、 数量が比較的よくわかっているのは、 「大気上端」(上端というはっきりした場所があるわけではないが そこから上にある空気の質量が無視できるところ)でのエネルギーの流れ、 および、「地表面」(地面と海面、 つまり大気と固体または液体が接するところ)でのエネルギーの流れである。 それぞれのエネルギーの流れの数値は、時間・空間によって変わるが、 ここでは、全球平均、年の倍数の期間で平均した、 エネルギーフラックス密度 (単位面積あたり・単位時間あたりのエネルギーの流れ)の形で数値を示す。
ほぼ同じ情報の図が、『図説』 気4節 [3] 「地球のエネルギー収支」 にある。 ただし、そこにしめされた数値は、大気上端に入射する太陽放射を 100 とした相対値である。
大気上端のエネルギーの出入りは放射(電磁波)だけである。 これを波長で太陽放射(短波放射)と地球放射(長波放射)に分ける。 太陽放射の波長帯では、下向きは太陽からくる電磁波、 上向きはそれを地球(大気と地表面を含む)が反射したものである。 地球放射の波長帯の放射は上向き(大気と地表面が出す放射)だけである (宇宙からくる電磁波の量は無視できる)。
地表面のエネルギーの出入りは、放射と乱流輸送がある。 放射には太陽放射の下向きと上向き(地表面での反射)、 地球放射の下向き(大気から)と上向き(地表面から)がある。 乱流輸送は、地表面が直接大気を暖める(大気のもつ温度に比例する内部エネルギーをふやす)顕熱輸送と、 地表面から水が蒸発するのに伴って大気にエネルギーが移る潜熱輸送がある。 潜熱輸送の場合は、エネルギーはまず大気のうち水蒸気に与えられ、 水蒸気が凝結する際に、そのエネルギーが水蒸気以外の部分(仮に乾燥大気と呼ぶ)に移る (主として、温度に比例する内部エネルギーあるいは位置エネルギーに移る。 つまり、気温が上がるか、空気が上昇する)。 雲粒が蒸発するときにはこの逆の変化が起こる。 降水が起こる場合正味でエネルギーが乾燥大気に移ることになる。
全球平均のエネルギーの流れの各項の見積もりについては、 TRENBERTHほか (2009)、OHMURA (2014)などの研究があるが、 ここの図には、WILDほか (2013)がまとめた数値を示す。 IPCC第5次評価報告書の第1部会の巻(2013年)の第2章の図2.1にも この数値が採用されている。 ただし、原図には、観測・推定の不確かさを考慮した数値の幅も示されているのだが、 ここではそれを省略した。 図の立字体は、単位面積あたり・単位時間あたりのエネルギーの流れを、 乱流輸送、太陽放射、地球放射に分け、放射は上向き・下向きに分けて示す。 斜め字体は、大気のエネルギーの収支、 および地表面より下の海と陸を合わせたエネルギー収支を、 それぞれ、乱流輸送、太陽放射、地球放射に分けて示す。
定常状態では、大気上端、大気、地表面から下、それぞれの収支は合計すると0である。 WILDほかの解析では、定常を前提としておらず、 しかも、エネルギーの流れの数値は、W/m2の整数の桁でまるめたため、 大気上端で1 W/m2の収入超過になっているが、 大気、地表面から下、それぞれの収支はつりあっているように見える。 もうひと桁とって示せば、 地表面から下の部分に0.6 W/m2のエネルギーの増加があり、 それは大気上端での不均衡でもある (大気にはほとんどたまりがない)とされている。
http://doi.org/10.2151/jmsj.2014-401http://doi.org/10.1175/2008BAMS2634.1http://doi.org/10.1007/s00382-012-1569-8(IPCCの第6次評価報告書がすでに出ているので、それを参照して適切な文献を えらびなおすべきなのだが、まだ調査できていない。)