气候系统本质上是一个巨大的行星级热机。它通过吸收太阳辐射来加热，通过向太空发射辐射来冷却（见图1c）。温暖的热带表面受热最大，而冷却主要发生在较冷的对流层，并向高纬度方向逐步增加。行星热机通过大气和海洋的流动，将热量从温暖的表面源输送到较冷的对流层汇。
但是气候科学家如何描述行星热机所做的功？地球不能推动任何外部物体，在经典热机的框架内，它的功输出为零！然而，海洋和大气确实对自身和彼此做功，这些功会产生科学家观察到的熟悉的风和洋流。对于气候科学家来说，用来推动大气和海洋环流的功就是有用功。
由于行星热机所做的功是对热机内的，因此其效率不受卡诺效率的限制。相反，原则上，气候系统可以回收一些由风和洋流的摩擦耗散产生的热量，并将其最大效率提高到一定值
这与卡诺效率类似，只是分母中的温度被冷汇的温度代替[3]。当所有可用能量都用于驱动大气气流和海洋洋流，以及当这些气流洋流的耗散集中在暖源（例如，通过与地球表面的摩擦）时，行星效率达到最高。正如我们将看到的那样，地球的热机运行在远超这个极限的效率上。
除做功外，大气和海洋环流在确定地球上的云和温度的空间分布方面也很重要。因此，通过行星热机驱动的风和流会影响其效率和输送的热量。这些效应引起了调节气候的重要反馈：行星热机所做的功可以降低用来驱动它的温度梯度。
这种行为使得对地球热机的分析复杂化，但也提出了行星气候动力学的诱人问题。什么决定了行星热机的效率？过去它改变过吗？将来会改变吗？行星热机的运行如何影响日常天气？
03 不可逆过程
行星热机所做的功在大气和海洋中产生了规模和强度很大的涡流，包括海面上的小涟漪和热带气旋中的狂风。湍流使这些涡流变形成新的形状和模式，直到粘度最终将其动能耗散为热量。1955年，爱德华·洛伦茨（Edward Lorenz）对能量产生和耗散的合成循环进行了漂亮的描述[4]，这意味着气候系统中的功与摩擦耗散之间的平衡。
摩擦的存在并不一定会限制行星热机的效率。事实上，当风和洋流的摩擦耗散是主要的不可逆过程时，热机接近其最大效率。但气候系统中的其他不可逆过程会竞争可用能量，如图2所示。例如，地面和大气之间的热传导以及由海洋和大气中的分子扩散引起的热传导会降低行星效率，就像内燃机中的传导损耗一样。辐射的吸收、反射和发射也是不可逆过程，尽管在行星热机的讨论中通常不考虑这些过程（见方框1）。
图3. 大气中的不可逆过程。忽略辐射过程（此处未显示），大气中不可逆性的最大来源是与水文循环有关的那些因素：蒸发、潮湿和干燥空气的混合、融化-冷冻循环（共60-80%）和降水沉降物（5-15%）。这些作用限制了风的摩擦耗散所产生的熵（5-15%），这最终限制了大气热机在产生循环方面所做的功。百分比根据全球气候模拟[12]和理想高分辨率模拟[8]估算。
在地球上，另一类不可逆过程是迄今为止对行星热机影响最大的限制。这些过程之所以存在，是因为地球气候的一个特点是适合生命居住：存在着活跃的水文循环。
考虑海洋表面的一小片水通过地球水文循环的路径。由于受到太阳的加热，这一小片水最初通过蒸发进入大气。就像晾衣绳上晾干湿衬衫一样，这种蒸发过程是不可逆转的。在气态形式下，这片水受到风的摆布，在大气层中旋转，并与周围的空气混合。最终，这一小片水被拉入上升气流，上升时冷却，直到在饱和的云团核心凝结成微小的水滴。
如果达到足够高的高度，这一小片水会遇到上层大气的亚冰点温度，水滴会自发地不可逆转地冻结。随着冰冻的水滴长大，它们开始降落，首先是雪花，然后是雨滴。当水滴落下时，它们不可逆地失去重力势能，并有部分在通过欠饱和空气时蒸发。
水文循环中的各种不可逆过程限制了行星热机做的功。可以通过考虑这些过程对气候系统不可逆熵增的贡献来量化这种影响。虽然很难通过观察确定这种作用——但降水引起的耗散是一个例外，可以使用卫星进行估计，如图3所示——人们可以使用气候系统模型来估计其强度。
