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地球の気候システムがもつエネルギーは、近似的には一定値を保っている。 これは、エネルギーの収入と支出がつりあっていることでもある。 (現在の大気と地表面の全球平均のエネルギー収支については [同じ本の]2.5[節]参照)。
地表面から下のエネルギーの流れは、 陸でも海でも季節変化に伴って、夏には下向き、冬には上向きであることが多い。 ただし、陸では熱伝導だけであり、海では乱流・対流が働くため、 季節変化に関与する層の厚さが、 陸では1 mの桁、海では100 mの桁である。 このため季節変化するエネルギーの流れの大きさは海上で大きく陸上では小さい。 気候の定常状態では、このエネルギーの流れの全球平均は0になるはずである。
1970年代以後全球規模の温暖化が進行していることは確かになってきたが、 これは気候システムのエネルギー総量の増加を伴っているはずである。 しかしエネルギーの収支の変化を観測値で確認することはまだむずかしい (1)(2)(3)。
太陽から来る放射エネルギーを、 太陽・地球間の平均距離で、太陽に正面を向けた面に単位時間・単位面積あたりの エネルギーの形で表現した量を、慣例として「太陽定数」と呼んでいる。 これには1978年11月以来引き継がれた人工衛星による観測がある。 複数の衛星による観測を比較すると、 相互に数W/m2の乖離があるが、変動は対応しており、 いずれの観測も相対精度は高いが絶対量の較正に問題が残っていると考えられる。 Fröhlich (2007)(4)が機器間の差を補正してつなぎ合わせた結果では、 約11年の太陽活動周期に伴って±1 W2程度の変動があるが、 明確な長期変化傾向は見られない。 なおFröhlich (2007)(4)の示した値は約1366 W/m2、 2003年以後のSORCE観測による値は約1361 W/m2を中心として変動しているが、 後者のほうが誤差が小さいと思われる。
大気上端の放射収支は人工衛星で観測可能だが、 残念ながら、相互比較ができる形で観測が継続しておらず、較正が難しい。 太陽放射・地球放射それぞれの全波長域合計の放射エネルギーフラックスを 測定する地球放射収支観測のうち、 とくに地球上の地理的分布まで議論できる走査型センサーによる観測は、 Nimbus 7 ERB (1978年11月～1980年6月)、 ERBE (1985年2月～1989年5月)、 TerraおよびAquaのCERES (2000年3月～)である。
2000年3月～2004年5月のCERESの観測値を集計すると、 正味で 6.4 W/m2の収入となるが、 次に述べるエネルギー貯蔵量の考察から見て、これは大きすぎる。 系統的誤差は、おもに、地球放射収支観測および太陽定数観測の それぞれのセンサーの絶対量の較正上の問題から来ていると考えられる (5)。
気候システムのエネルギー貯蔵量の変化の主要な部分は、 海洋の温度変化に伴う内部エネルギーの変化と、 雪氷の融解(相変化)に伴う潜熱である。 この2つは海水準変化をもたらす主要な要因でもあるが、 エネルギー貯蔵量に対してと海水準に対してとで各項の重みが異なる。 海水準の観測値は、1992年から衛星高度計によって全球を覆うようになったので、 これを合わせて考えることによって エネルギー収支の不確かさをいくらか減らすことができる (2)(3)。
海洋のエネルギー貯蔵量は、 海洋の温度(および塩分)の観測データをもとに集計することができる。 2000年から日本を含む多数の国の共同で行なわれている アルゴ(Argo)フロート観測によって 深さ2000 mまでの質のそろったデータが得られるようになった。 それ以前の観測値は、おもにXBT (投下式水温計)によるものであり、 最近、深さを求めるために仮定された落下速度の見なおしが行なわれた。 補正されたXBTとアルゴのデータが合わせて解析され、 海洋の深さ700 mまでエネルギー貯蔵量の増加は、 1993～2008年の16年間の平均で、地球の全表面積あたりに換算して 0.64±0.11 W/m2と見積もられた(6)。
雪氷に伴うエネルギー貯蔵量の変化は、 主に氷床・氷河の融解の相変化に伴うものである。 グリーンランドの氷床・氷河の正味の減少は 氷の面積あたり液体水換算で 74 mm/年と見積もられている(7)。 この質量が海に行くと(温度変化を考えないで) 0.35 mm/年の海面上昇をもたらす。 エネルギー貯蔵量変化としては0.0027 W/m2となる。 また、南極・グリーンランド以外の山岳氷河・氷冠の1960～2000年の正味の減少は 氷の面積あたり250mm/年と見積もられている(7)。 これは0.37 mm/年の海面上昇、 0.0028 W/m2のエネルギー貯蔵量増加に対応する。 ただし1990年以後の減少はこれよりも強まっている。 南極大陸の氷床・氷河の質量収支を現地観測に基づいて述べることは難しい。 他方、衛星からは、GRACEによる地球の重力分布の観測により、 2004年以後の質量分布の変化が求められている。 それらを総合して2006年の時点での融解量は、 南極氷床が0.17 mm/年、グリーンランド氷床が0.5 mm/年、 山岳氷河と氷冠が1.1 mm/年、合計1.8 mm/年の海面上昇に相当すると見積もられる (8)。 エネルギー貯蔵量増加としては約0.014 W/m2となる。
陸のエネルギー貯蔵量変化はボーリング孔の 温度測定などによって知ることができる(9)。 1950～2000年の50年間の貯蔵増加量を 地球の表面積(海陸こみ)あたりにすると0.012 W/m2となる(10)。 大気の温度上昇・水蒸気増加、海氷の融解に伴うエネルギー貯蔵量変化も、 それぞれ0.01 W/m2程度である。
Trenberth and Fasullo (2010)は 気候システムのエネルギー増加に関する知識の現状を 図1のようにまとめた(2)。 2000～2004年の期間について出入りと貯蔵量変化がほぼ等しくなるように 大気上端の観測値を調整したのだが、 2005年以後には、乖離が大きくなってしまった。 ここで採用された海洋のエネルギー貯留量(11)は 深さ700 mまでのものなので、 深いところのエネルギーが変化している可能性もある。
全球規模の温暖化が進行すれば、温度上昇とともに飽和水蒸気量が増加する。 実際の水蒸気量もほぼそれに比例して(つまり平均相対湿度を保って)増加すると 予想される。 また、全球平均の降水量・蒸発量も増加すると予想されるが、 蒸発には地表面エネルギー収支の制約があるため、 増加のしかたは大気中の水蒸気総量ほど速くはない。 したがって、大気中の水蒸気の平均滞在時間はのびる。 この特徴は、 気候モデル(大気海洋結合大循環モデル)による温暖化シナリオ実験では、 NCAR PCMモデルの温暖化実験例について示されており(14)、 また、CMIP3(15)に参加した23のモデルの SRES (IPCC Sperical Report on Emission Scenarios) A1Bシナリオ実験の結果を 筆者が解析したところ、どのモデルにも共通に見られた。 ただし、そのような変化が現実にすでに起きているかは、 降水量の年々変動が大きいこと、観測データが均質でないことなどの制約があり、 明確にはまだいえない。