Energy balance of the Arctic

Summary The available aerological material now permits a more accurate estimate than before of the various terms in the heat budget. It is difficult to find an area for which all energy budget terms have been evaluated. The research at McGill University has attempted to fill this need for the Polar Ocean. In such discussions the heat fluxes at two levels must be known: in the present investigation, 300 mb and earth's surface were chosen. The heat budget calculations were carried out for several areas of the Polar Ocean. Independent calculations of all terms having been made, it was possible to check the accuracy. Both for the Polar Ocean and the Norwegian-Barents Sea a satisfactory balance was obtained.The surface energy budget shows that the radiative terms are far greater than all other influences, and the long-wave components are the greatest in all areas and months. The sensible heat flux from atmosphere to ground is negligible. In winter, all energy expenditure is radiative from the Polar Ocean, but 20% is non-radiative over the Norwegian-Barents Sea. There, the readily available energy from the ocean compensates for the progressively smaller input by radiation through the winter, and the energy budget remains extraordinarily stable during the winter. Looking at the tropospheric energy budget over the Arctic, there is a sharp increase in importance of non-radiative terms on the income side, and an even more pronounced decrease on the expenditure side.Calculations for the earth-atmosphere energy budget show that the result of no advection into the North Polar regions would be a temperature drop of 35° C over the Norwegian-Barents Sea and about 50° over the Central Polar Ocean. The various energy currents are represented pictorially, setting the total incoming energy at the top of the atmosphere equal to 100 units. All discussions refer to the average conditions over the Arctic Ocean. It would be most valuable to know which changes in the individual terms are possible and can be realised under the existing conditions of the world in which we live. The data available from the present investigation will be used for such a study of climatic change.

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Zusammenfassung Das verfügbare aerologische Beobachtungsmaterial gestattet heute eine genauere Schätzung der verschiedenen Terme des Wärmehaushalts als früher. Doch ist es schwierig, ein Gebiet zu finden, für das sämtliche Glieder des Energiebudgets bestimmt wurden. Die Untersuchungen der McGill-Universität versuchen, diese Lücke für das Polarmeer auszufüllen. Für solche Untersuchungen müssen die Wärmeströme in zwei verschiedenen Niveaus bekannt sein, und für die vorliegende Untersuchung wurden das 300-mb-Niveau und die Erdoberfläche gewählt. Die Berechnungen des Wärmehaushalts wurden für verschiedene Gebiete des Nördlichen Eismeers durchgeführt. Da unabhängige Berechnungen der einzelnen Glieder durchgeführt wurden, ist es möglich, die Genauigkeit abzuschätzen, und es zeigt sich, daß sowohl für das Eismeer wie für die Norwegen-Barents-See eine befriedigende Bilanz resultiert.Aus der Energiebilanz am Boden ergibt sich, daß die Strahlungsglieder bei weitem größer sind als alle übrigen Einflüsse und daß die langwelligen Komponenten in allen Gebieten und Monaten am größten sind. Der fühlbare Wärmestrom von der Atmosphäre zur Erde kann vernachlässigt werden. Im Winter beruht der gesamte Energieverlust vom Eismeer auf Strahlungsvorgängen, über der Norwegen-Barents-See dagegen nur zu 80%. Hier kompensiert die leichte Wärmeabgabe vom Ozean die progressive Abnahme des Strahlungsgenusses durch den Winter, so daß die Energiebilanz während des Winters außerordentlich gleichmäßig bleibt. Hinsichtlich der Energiebilanz der Troposphäre über der Arktis besteht ein starker Energiegewinn durch die strahlungsfreien Glieder und gleichzeitig eine ausgesprochene Abnahme der Wärmeverluste.Berechnungen des Wärmehaushalts zwischen Erde und Atmosphäre zeigen, daß das Fehlen von Advektion zum Nordpolargebiet zu einem Temperaturabfall von 35° C über der Norwegen-Barents-See und von 50° über dem zentralen Eismeer führen müßte. Die verschiedenen Energieströmungen werden bildlich dargestellt, wobei die gesamte am äußeren Rande der Atmosphäre eintretende Energie 100 Einheiten gleichgesetzt wird. Alle Diskussionen beziehen sich auf durchschnittliche Verhältnisse über dem Eismeer. Es wäre von großem Interesse zu untersuchen, welche Veränderungen der einzelnen Glieder unter den auf der Erde herrschenden Bedingungen möglich und realisierbar sind. Die Resultate der vorliegenden Untersuchung werden für eine derartige Studie über Klimaveränderungen benützt werden.

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Résumé Les observations aérologiques disponibles actuellement permettent une estimation plus précise que jusqu'ici des différents paramètres de calcul du bilan thermique. Il est cependant difficile de trouver une surface d'une certaine dimension pour laquelle tous les termes du bilan énergétique ont été évalués. Les recherches entreprises à l'Université McGill tentent de combler cette lacune pour l'Océan Glacial Arctique. Pour ce faire, il faut connaître les flux de chaleur à deux niveaux; dans la présente étude, on a choisi la surface standard de 300 mb et le sol. Les calculs du bilan thermique ont été effectués pour plusieurs parties de l'Océan Glacial Arctique. Vu que chaque terme de l'équation fut calculé indépendemment des autres, il fut possible d'en contrôler la précision. On a ainsi obtenu un bilan satisfaisant tant pour l'Océan Glacial tout entier que pour la partie située entre les Mers de Norvège et de Barentz.Le bilan énergétique à la surface du sol montre que les paramètres de radiation sont beaucoup plus importants que tous les autres et que leurs composantes se rapportant aux longues ondes sont les plus grandes dans toutes les régions étudiées ainsi qu'au cours de tous les mois de l'année. Le flux de chaleur perceptible de l'atmosphère vers le sol est négligeable. En hiver, toute la dépense d'énergie provient du rayonnement sur l'Océan Glacial Arctique, mais, sur les Mers de Norvège et de Barentz, 20% de ces pertes d'énergie ne proviennent pas du rayonnement. Dans ce second cas, l'énergie venant de la mer et immédiatement disponible compense durant tout l'hiver la diminution progressive du rayonnement reçu, si bien que le bilan énergétique y est extraordinairement stable durant toute cette saison. Quant au bilan énergétique de la troposphère au-dessus de l'Arctique, on constate une forte augmentation de l'importance des termes étrangers au rayonnement du côté des gains en énergie et une décroissante tout aussi importante de ceux-ci du côté des pertes.Des calculs concernant l'échange énergétique entre l'atmosphère et la terre montrent que le résultat de l'absence d'advection vers les régions polaires arctiques serait une chute de température de 35° C sur les Mers de Norvège et de Barentz et de près de 50° C sur le centre de l'Océan Glacial Arctique. Les différents courants d'énergie ainsi calculés sont reportés sur des figures en pour-cent de l'énergie totale reçue au sommet de l'atmosphère. Toutes les dicussions se rapportent à des conditions moyennes régnant sur l'Océan Glacial Arctique dans son ensemble. Il serait cependant très intéressant de connaître quelles sont, pour les différents termes du bilan thermique, les variations possibles et pouvant se réaliser dans les conditions existant dans le monde où nous vivons. Les chiffres résultants de la présente recherche seront utilisés dans une étude consacrée aux modification du climat.

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With 5 Figures

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The research reported in this paper was sponsored in part by the Air Force Cambridge Research Laboratories, Office of Aerospace Research, under Contract AF 19(604)-7415.