Il bilancio energetico della Terra: cos’è, equilibrio tra l’energia

Il bilancio energetico della Terra rappresenta l’equilibrio tra l’energia che la Terra riceve dal Sole e l’energia che la Terra perde nello spazio. Vengono prese in considerazione fonti di energia più piccole, come il calore interno della Terra, ma danno un contributo minimo rispetto all’energia solare. Il bilancio energetico rappresenta anche il modo in cui l’energia si muove attraverso il sistema climatico. Poiché il Sole riscalda i tropici equatoriali più delle regioni polari, ha ricevuto l’irraggiamento solare è distribuito in modo non uniforme.Mentre l’energia cerca l’equilibrio in tutto il pianeta, guida le interazioni nel sistema climatico terrestre, cioè l’acqua terrestre , il ghiaccio, l’atmosfera, la crosta rocciosa e tutti gli esseri viventi .Il risultato è il clima della Terra.

Il clima della Terra è in gran parte determinato dal bilancio energetico del pianeta,cioè dall’equilibrio dellesegnali in entrata e in uscita . Viene misurato dai satelliti e mostrato in W/m 2 . Lo sbilanciamento (o tasso di riscaldamento globale; indicato in figura come quota “netta assorbita”) è cresciuto da +0,6 W/m 2 (stima 2009 ) a oltre +1,0 W/m 2 nel 2019 .

Il bilancio energetico della Terra dipende da molti fattori, come gli aerosol atmosferici, i gas serra , l’albedo (riflettività) della superficie del pianeta , le nuvole , la vegetazione, i modelli di utilizzo del suolo e altro ancora. Quando i flussi di energia in entrata e in uscita sono in equilibrio, la Terra è in equilibrio radiativo e il sistema climatico sarà relativamente stabile. Il riscaldamento globale si verifica quando la terra riceve più energia di quella che restituisce allo spazio, e il raffreddamento globale si verifica quando l’energia in uscita è maggiore. Diversi tipi di misurazioni e osservazioni mostrano uno squilibrio del riscaldamento almeno dall’anno 1970. Iltasso di riscaldamento di questo evento causato dall’uomo e senza precedenti.

Quando il bilancio energetico cambia, c’è un ritardo prima che la temperatura superficiale globale media cambi in modo significativo. Ciò è dovuto all’inerzia termica degli oceani , della terraferma e della criosfera . La quantificazione accurata di questi flussi di energia e delle quantità di stoccaggio è un requisito nella maggior parte dei modelli climatici .

L’energia della Terra scorre

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La radiazione di flusso a onde corte in arrivo , dall’alto dell’atmosfera (TOA), mostra l’energia ricevuta dal Sole come dedotta dalle misurazioni CERES (26-27 gennaio 2012). Le aree bianche più luminose mostrano la massima riflettività (minimo assorbimento) dell’energia solare, mentre le aree blu più scure mostrano il massimo assorbimento.

Nonostante gli enormi trasferimenti di energia da e verso la Terra, mantiene una temperatura relativamente costante perché, nel complesso, c’è poco guadagno o perdita netta: la Terra emette attraverso la radiazione atmosferica e terrestre (spostata a lunghezze d’onda elettromagnetiche più lunghe) verso lo spazio circa la stessa quantità di energia che riceve attraverso l’insolazione solare (tutte le forme di radiazione elettromagnetica).

Energia solare in ingresso (radiazione a onde corte)

La quantità totale di energia ricevuta al secondo nella parte superiore dell’atmosfera terrestre (TOA) è misurata in watt ed è data dalla costante solare moltiplicata per l’area della sezione trasversale della Terra corrispondente alla radiazione. Poiché l’area superficiale di una sfera è quattro volte l’area della sezione trasversale di una sfera (cioè l’area di un cerchio), il flusso TOA medio globale e annuale è un quarto della costante solare e quindi è di circa 340 watt per metro quadrato (W/m2 ) . Poiché l’assorbimento varia a seconda della posizione e delle variazioni diurne, stagionali e annuali, i numeri indicati sono medie pluriennali ottenute da più misurazioni satellitari.

Dei ~340 W/m2 di radiazione solare ricevuta dalla Terra, una media di ~77 W/m2 viene riflessa nello spazio dalle nuvole e dall’atmosfera e ~23 W/m2 viene riflessa dall’albedo superficiale , lasciando ~240 W/m 2 di energia solare immessa nel bilancio energetico della Terra. Questa quantità è chiamata radiazione solare assorbita (ASR). Implica un valore di circa 0,3 per l’albedo netto medio della Terra, chiamato anche albedo di legame (A):

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

Radiazioni a onde lunghe in uscita

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Radiazione di flusso in uscita a onde lunghe nella parte superiore dell’atmosfera (26-27 gennaio 2012). L’energia termica irradiata dalla Terra (in watt per metro quadrato) è mostrata nei toni del giallo, rosso, blu e bianco. Le aree gialle più luminose sono le più calde ed emettono più energia nello spazio, mentre le aree blu scuro e le nuvole bianche luminose sono molto più fredde ed emettono meno energia.

La radiazione a onde lunghe in uscita (OLR) è solitamente definita come energia in uscita che lascia il pianeta, la maggior parte della quale si trova nella banda infrarossa . Generalmente, l’energia solare assorbita viene convertita in diverse forme di energia termica. Parte di questa energia viene emessa come OLR direttamente nello spazio, mentre il resto viene prima trasportato attraverso il sistema climatico come radiante e altre forme di energia termica. Ad esempio, le emissioni indirette si verificano a seguito del trasporto di calore dagli strati superficiali del pianeta (terra e oceano) all’atmosfera tramite evapotraspirazione e flussi di calore latente o processi di conduzione / convezione . Alla fine, tutta l’energia in uscita viene irradiata nello spazio sotto forma di radiazione a onde lunghe.

Il trasporto di OLR dalla superficie terrestre attraverso la sua atmosfera multistrato segue la legge di Kirchoff della radiazione termica . Un modello a uno strato produce una descrizione approssimativa di OLR che produce temperature in superficie (T s = 288  Kelvin ) e al centro della troposfera (T a = 242 Kelvin) che sono vicine ai valori medi osservati:

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

In questa espressione σ è la costante di Stefan-Boltzmann e ε rappresenta l’ emissività dell’atmosfera. Aerosol, nuvole, vapore acqueo e tracce di gas serra contribuiscono a un valore medio di circa ε=0,78. La forte sensibilità alla temperatura (di quarta potenza) agisce per aiutare a mantenere un quasi equilibrio del flusso di energia in uscita rispetto al flusso in entrata attraverso piccoli cambiamenti nelle temperature assolute del pianeta .

Fonti di calore interne alla Terra e altri piccoli effetti

Si stima che il flusso di calore geotermico dall’interno della Terra sia di 47 terawatt (TW) e si divida approssimativamente equamente tra il calore radiogenico e il calore residuo della formazione della Terra. Ciò corrisponde a un flusso medio di 0,087 W/m 2 e rappresenta solo lo 0,027% del bilancio energetico totale della Terra in superficie, essendo sminuito dai 173.000 TW di radiazione solare in entrata .

La produzione umana di energia è ancora inferiore a circa 160.000 TW-ora per tutto l’anno 2019. Ciò corrisponde a un flusso di calore continuo medio di circa 18 TW. Tuttavia, i consumi sono in rapida crescita e la produzione di energia con combustibili fossili produce anche un aumento dei gas serra atmosferici, determinando uno squilibrio oltre 20 volte maggiore nei flussi in entrata/uscita originati dalla radiazione solare.

Anche la fotosintesi ha un effetto significativo: circa 140 TW (o circa lo 0,08%) dell’energia incidente viene catturata dalla fotosintesi, fornendo energia alle piante per produrre biomassa . Un flusso simile di energia termica viene rilasciato nel corso di un anno quando le piante vengono utilizzate come cibo o combustibile.

Altre fonti di energia minori vengono solitamente ignorate nei calcoli, tra cui l’accrescimento di polvere interplanetaria e il vento solare , la luce proveniente da stelle diverse dal Sole e la radiazione termica dallo spazio. In precedenza, Joseph Fourier aveva affermato che la radiazione dello spazio profondo era significativa in un articolo spesso citato come il primo sull’effetto serra .

Analisi di bilancio

Un diagramma di Sankey che illustra un esempio equilibrato del bilancio energetico della Terra. Lo spessore della linea è linearmente proporzionale alla quantità relativa di energia.

In termini più semplici, il bilancio energetico della Terra è bilanciato quando il flusso in entrata è uguale al flusso in uscita. Poiché una parte dell’energia in entrata viene riflessa direttamente, il saldo può anche essere indicato come radiazione solare (onde corte) assorbita in entrata uguale alla radiazione a onde lunghe in uscita:

{\displaystyle ASR=OLR.}

Analisi del flusso interno

Per descrivere alcuni dei flussi interni all’interno del budget, supponiamo che l’insolazione ricevuta nella parte superiore dell’atmosfera sia di 100 unità (=340 W/m 2 ), come mostrato nel diagramma di Sankey allegato. Chiamato l’ albedo della Terra, circa 35 unità in questo esempio vengono riflesse direttamente nello spazio: 27 dalla parte superiore delle nuvole, 2 da aree coperte di neve e ghiaccio e 6 da altre parti dell’atmosfera. Le restanti 65 unità (ASR=220 W/m 2 ) vengono assorbite: 14 all’interno dell’atmosfera e 51 dalla superficie terrestre.

Le 51 unità raggiunte e assorbite dalla superficie vengono emesse nello spazio attraverso varie forme di energia terrestre: 17 direttamente irradiate nello spazio e 34 assorbite dall’atmosfera (19 attraverso calore latente di vaporizzazione , 9 attraverso convezione e turbolenza, e 6 come assorbite infrarosso da gas serra ). Le 48 unità assorbite dall’atmosfera (34 unità dall’energia terrestre e 14 dall’insolazione) vengono infine irradiate nello spazio. Questo esempio semplificato trascura alcuni dettagli dei meccanismi che ricircolano, immagazzinano e quindi portano a un ulteriore accumulo di calore vicino alla superficie.

Alla fine le 65 unità (17 dal suolo e 48 dall’atmosfera) vengono emesse come OLR. Bilanciano approssimativamente le 65 unità (ASR) assorbite dal sole per mantenere un guadagno netto zero di energia da parte della Terra.

Ruolo dell’effetto serra

L’effetto serra intrappola il calore infrarosso e alla fine aumenta le temperature della superficie terrestre.

I principali gas atmosferici ( ossigeno e azoto ) sono trasparenti alla luce solare in entrata, ma sono anche trasparenti alla radiazione a onde lunghe (termica/infrarossa) in uscita. Tuttavia, il vapore acqueo , l’anidride carbonica , il metano e altri gas traccia sono opachi a molte lunghezze d’onda della radiazione termica.

Quando le molecole di gas serra assorbono l’energia termica infrarossa, la loro temperatura aumenta. Questi gas irradiano quindi una maggiore quantità di energia termica infrarossa in tutte le direzioni. Il calore irradiato verso l’alto continua a incontrare molecole di gas serra; anche quelle molecole assorbono il calore, e la loro temperatura aumenta e la quantità di calore che irradiano aumenta. L’atmosfera si assottiglia con l’ altitudine e, a circa 5-6  chilometri , la concentrazione di gas serra nell’atmosfera sovrastante è così sottile che il calore può fuoriuscire nello spazio.

Poiché le molecole di gas serra irradiano energia infrarossa in tutte le direzioni, parte di essa si diffonde verso il basso e alla fine ritorna sulla superficie terrestre, dove viene assorbita. Le temperature superficiali della Terra in situ sono quindi più alte di quanto sarebbero se fossero governate solo dal riscaldamento solare diretto. Questo riscaldamento supplementare è l’effetto serra naturale. È come se la Terra fosse coperta da una coltre che permette alle radiazioni ad alta frequenza (luce solare) di entrare, ma rallenta la velocità con cui la radiazione infrarossa a onde lunghe se ne va.

Visto dallo spazio circostante la Terra, i gas serra influenzano l’ emissività atmosferica del pianeta (ε). I cambiamenti nella composizione atmosferica possono quindi spostare il bilancio complessivo della radiazione. Ad esempio, un aumento dell’intrappolamento del calore dovuto a una crescente concentrazione di gas serra (ovvero un effetto serra potenziato ) provoca una diminuzione dell’OLR e uno squilibrio energetico di riscaldamento (riparatore). In definitiva, quando la quantità di gas serra aumenta o diminuisce, le temperature superficiali in situ aumentano o diminuiscono fino a quando non viene nuovamente raggiunto l’equilibrio ASR = OLR.

Accumulatori di calore

Il crescente accumulo di energia nelle componenti oceaniche, terrestri, ghiacciate e atmosferiche del sistema climatico terrestre dal 1960.

Terra, ghiaccio e oceani sono costituenti materiali attivi del sistema climatico terrestre insieme all’atmosfera. Hanno una massa e una capacità termica molto maggiori e quindi un’inerzia termica molto maggiore . Quando la radiazione viene assorbita direttamente o la temperatura superficiale cambia, l’energia termica fluirà sotto forma di calore sensibile all’interno o all’esterno della massa complessiva di questi componenti tramite processi di trasferimento del calore per conduzione/convezione. La trasformazione dell’acqua tra i suoi stati solido/liquido/vapore funge anche da fonte o assorbimento di energia potenziale sotto forma di calore latente. Questi processi ammortizzano le condizioni della superficie contro alcuni dei rapidi cambiamenti radiativi nell’atmosfera. Di conseguenza, la differenza tra il giorno e la notte nelle temperature superficiali è relativamente piccola. Allo stesso modo, il sistema climatico terrestre nel suo insieme mostra una risposta ritardata ai cambiamenti nel bilancio della radiazione atmosferica.

I pochi metri superiori degli oceani terrestri ospitano più energia termica della sua intera atmosfera. Come i gas atmosferici, le fluidiche acque oceaniche trasportano enormi quantità di tale energia sulla superficie del pianeta. Il calore sensibile entra ed esce anche da grandi profondità in condizioni che favoriscono il downwelling o il upwelling .

Oltre il 90 percento dell’energia extra che si è accumulata sulla Terra a causa del riscaldamento globale in corso dal 1970 è stata immagazzinata nell’oceano . Circa un terzo si è propagato a profondità inferiori a 700 metri. Anche il tasso di crescita complessivo è aumentato negli ultimi decenni, raggiungendo quasi 500 TW (1 W/m 2 ) nel 2020. Ciò ha portato a circa 14 zettajoule (ZJ) di aumento di calore per l’anno, superando i 570 exajoule (= 160.000 TW-ora) di energia primaria totale consumata dagli esseri umani di un fattore di almeno 20.

Analisi della velocità di riscaldamento/raffrescamento

In generale, i cambiamenti nell’equilibrio del flusso energetico della Terra possono essere considerati il ​​risultato di forzanti esterni (sia naturali che antropici, radiativi e non radiativi), feedback di sistema e variabilità del sistema interno . Tali cambiamenti sono espressi principalmente come variazioni osservabili di temperatura (T), nuvole (C), vapore acqueo (W), aerosol (A), tracce di gas serra (G), riflettanza della superficie terrestre/oceano/ghiaccio (S) e come piccoli spostamenti nell’insolazione (I) tra gli altri possibili fattori. La velocità di riscaldamento/raffreddamento della Terra può quindi essere analizzata su intervalli di tempo selezionati (Δt) come variazione netta di energia (ΔE) associata a questi attributi:

{\displaystyle {\begin{aligned}\Delta E/\Delta t&=(\ \Delta E_{T}+\Delta E_{C}+\Delta E_{W}+\Delta E_{A}+\Delta E_ {G}+\Delta E_{S}+\Delta E_{I}+…\ )/\Delta t\\\\&=ASR-OLR.\end{allineato}}}

Qui il termine ΔE T ha valore negativo quando la temperatura aumenta a causa della forte influenza diretta sull’OLR.

Il recente aumento delle tracce di gas serra produce un maggiore effetto serra, e quindi un termine forzante ΔE G positivo. Al contrario, una grande eruzione vulcanica (ad es. Monte Pinatubo 1991 , El Chichón 1982) può iniettare composti contenenti zolfo nell’alta atmosfera. Alte concentrazioni di aerosol di zolfo stratosferico possono persistere fino a pochi anni, producendo un contributo forzante negativo a ΔE A . Vari altri tipi di emissioni di aerosol antropogeniche danno contributi sia positivi che negativi a ΔE A . I cicli solari producono ΔE I di grandezza inferiore a quelli del recente ΔE Gtendenze dell’attività umana.

Le forzanti climatiche sono complesse poiché possono produrre feedback diretti e indiretti che intensificano ( feedback positivo ) o indeboliscono ( feedback negativo ) la forzante originaria. Questi spesso seguono la risposta della temperatura. Tendenze del vapore acqueo come feedback positivo rispetto alle variazioni di temperatura dovute agli spostamenti di evaporazione e alla relazione di Clausius-Clapeyron . Un aumento del vapore acqueo si traduce in ΔE W positivo a causa dell’ulteriore aumento dell’effetto serra. Un feedback positivo più lento è il feedback ice-albedo . Ad esempio, la perdita del ghiaccio articoa causa dell’aumento delle temperature rende la regione meno riflettente, portando a un maggiore assorbimento di energia e velocità di fusione del ghiaccio ancora più elevate, quindi un’influenza positiva su ΔE S . Collettivamente, i feedback tendono ad amplificare il riscaldamento o il raffreddamento globale.

Le nuvole sono responsabili di circa la metà dell’albedo terrestre e sono potenti espressioni della variabilità interna del sistema climatico. Possono anche fungere da feedback alle forzature e potrebbero essere forzature stesse se, ad esempio, sono il risultato di un’attività di seeding delle nuvole . I contributi a ΔE C variano a livello regionale e in base al tipo di nuvola. Le misurazioni dai satelliti vengono raccolte in concerto con le simulazioni dei modelli nello sforzo di migliorare la comprensione e ridurre l’incertezza.

Lo squilibrio energetico della Terra

La crescita dello squilibrio energetico della Terra dalle misurazioni satellitari e in situ (2005-2019). Un tasso di +1,0 W/m2 sommato sulla superficie del pianeta equivale a un assorbimento continuo di calore di circa 500  terawatt (~0,3% della radiazione solare incidente).

Se il flusso di energia in entrata della Terra è maggiore o minore del flusso di energia in uscita, allora il pianeta guadagnerà (riscalderà) o perderà (raffresca) energia termica netta in accordo con la legge di conservazione dell’energia :

{\ Displaystyle EEI \ equiv ASR-OLR}

Quando lo squilibrio energetico della Terra (EEI) si sposta di una quantità sufficientemente grande, è direttamente misurabile mediante strumenti radiometrici satellitari in orbita . Gli squilibri che non riescono a invertirsi nel tempo determineranno anche cambiamenti di temperatura a lungo termine nelle componenti atmosferiche, oceaniche, terrestri e glaciali del sistema climatico . Le variazioni di temperatura in situ e gli effetti correlati forniscono quindi misure indirette dell’IEE. Dalla metà del 2005 alla metà del 2019, le osservazioni della temperatura satellitare e oceanica hanno mostrato ciascuna in modo indipendente un raddoppio approssimativo dello squilibrio del riscaldamento (globale) nel bilancio energetico della Terra.

Misurazione diretta

Diversi satelliti misurano direttamente l’energia assorbita e irradiata dalla Terra, e quindi deducendo lo squilibrio energetico. Il progetto NASA Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) coinvolge tre di questi satelliti: l’ Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), lanciato nell’ottobre 1984; NOAA-9, lanciato nel dicembre 1984; e NOAA-10, lanciato nel settembre 1986.

Gli strumenti della NASA Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) fanno parte del suo Earth Observing System (EOS) dal 1998. CERES è progettato per misurare sia la radiazione solare riflessa (lunghezza d’onda corta) che quella emessa dalla Terra (lunghezza d’onda lunga). L’analisi dei dati CERES da parte dei suoi principali ricercatori ha mostrato una tendenza all’aumento dell’EEI dal 2005 al 2019. I fattori che hanno contribuito includevano più vapore acqueo, meno nuvole, aumento dei gas serra e diminuzione del ghiaccio che sono stati parzialmente compensati dall’aumento delle temperature. La successiva indagine del comportamento utilizzando il modello climatico GFDL CM4/AM4 ha concluso che c’era una probabilità inferiore all’1% che la sola variabilità del clima interno causasse la tendenza.

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Animazione delle orbite della flotta di osservatori di telerilevamento terrestre della NASA del 2011.

Altri ricercatori hanno utilizzato i dati di CERES, AIRS , CloudSat e altri strumenti EOS per cercare le tendenze della forzatura radiativa incorporata nei dati EEI. La loro analisi ha mostrato un aumento forzato dal 2003 al 2018. Circa l’80% dell’aumento è stato associato all’aumento della concentrazione di gas serra che ha ridotto la radiazione a onde lunghe in uscita.

Ulteriori misurazioni satellitari, inclusi i dati TRMM e CALIPSO , hanno indicato precipitazioni aggiuntive, che sono sostenute dall’aumento dell’energia che lascia la superficie attraverso l’evaporazione (il flusso di calore latente), compensando in parte l’aumento del flusso serra a onde lunghe verso la superficie.

È interessante notare che le incertezze della calibrazione radiometrica limitano la capacità dell’attuale generazione di strumenti satellitari, che sono altrimenti stabili e precisi . Di conseguenza, le variazioni relative dell’IEE sono quantificabili con un’accuratezza che non è ottenibile anche per una singola misurazione dello squilibrio assoluto.

Misure in situ

La temperatura superficiale globale (GST) viene calcolata facendo la media delle temperature misurate sulla superficie del mare insieme alle temperature dell’aria misurate sulla terraferma. Dati affidabili che si estendono almeno fino al 1880 mostrano che la GST ha subito un aumento costante di circa 0,18°C per decennio dal 1970 circa.

Le acque oceaniche assorbono in modo particolarmente efficace l’energia solare e hanno una capacità termica totale di gran lunga superiore a quella dell’atmosfera. Le navi e le stazioni di ricerca hanno campionato le temperature del mare in profondità e in tutto il mondo da prima del 1960. Inoltre, dopo il 2000, una rete in espansione di oltre 3000 galleggianti robotici Argo ha misurato l’anomalia della temperatura, o equivalentemente il cambiamento nel contenuto di calore dell’oceano (OHC). Almeno dal 1990, l’OHC è aumentato a un ritmo costante o accelerato. I cambiamenti nell’OHC forniscono la misura indiretta più solida dell’EEI poiché gli oceani assorbono il 90% del calore in eccesso.

L’estensione del ghiaccio galleggiante e al suolo viene misurata dai satelliti, mentre la variazione di massa viene quindi dedotta dai cambiamenti misurati nel livello del mare insieme a modelli computazionali che tengono conto dell’espansione termica e di altri fattori. Le osservazioni dal 1994 mostrano che il ghiaccio si è ritirato da ogni parte della Terra a un ritmo accelerato.

GST dal 1850
OHC dal 1958 nei primi 2000 metri
Perdita globale di ghiaccio dal 1994

Importanza come misura del cambiamento climatico

Disegno schematico dell’inventario del calore in eccesso della Terra in relazione allo squilibrio energetico del pianeta per due periodi di tempo recenti.

I ricercatori sul clima Kevin Trenberth , James Hansen e colleghi hanno identificato il monitoraggio dello squilibrio energetico della Terra come un imperativo per aiutare i responsabili politici a guidare il ritmo della pianificazione per l’ adattamento ai cambiamenti climatici . A causa dell’inerzia del sistema climatico , le tendenze EEI a lungo termine possono prevedere ulteriori cambiamenti che sono “in cantiere”.

Nel 2012, gli scienziati della NASA hanno riferito che per fermare il riscaldamento globale la concentrazione atmosferica di CO 2 dovrebbe essere ridotta a 350 ppm o meno, supponendo che tutte le altre forzanti climatiche siano state corrette. A partire dal 2020, la CO2 atmosferica ha raggiunto 415 ppm e tutti i gas serra a lunga vita hanno superato una concentrazione equivalente di CO2 di 500 ppm a causa della continua crescita delle emissioni umane.


https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_energy_budget

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