图1. 地球气候系统。| 由国际空间站宇航员地球观测设施和美国宇航局约翰逊航天中心地球科学和遥感部门提供。
气候系统包括地球的流体外壳：大气、海洋和冰层。这些成分，连同固体岩石圈不断演变的表面性质一起，负责反射一些和吸收大部分来自太阳的辐射。气候系统始终接近能量平衡。总能量随时间没有明显的波动，因为地球辐射发射到太空的速率与吸收太阳能的速率大致相同。
由于地球与宇宙处于近乎精确的能量平衡状态，地球在明天和一个世纪后将拥有类似的气候。但随着时间的推移，与严格能量平衡的微小偏差会导致气候发生巨大变化。这种微小的偏差是由于昼夜和季节周期、轨道变化——例如，米兰科维奇周期（Milankovitch cycle）*——以及人为二氧化碳排放等内部作用造成的。
译注：米兰科维奇周期描述数千年时间里地球运动变化对气候的整体影响。上世纪20年代，地质和天文学家米兰科维奇猜测，地球偏心率、倾角、进动会导致表面太阳辐射分布随年度和纬度周期性变化，这会强烈影响地球的气候模式。
地球气候的另一个特征——其实任何行星的气候都是如此——是不可逆的演化。想象你在观看一段10秒长的视频，视频里是阳光明媚日子里一棵田野上的绿树。你会注意到这段视频是不是倒放的吗？也许不会。现在想象一下暴风雨中同一片田野和同一棵树的10秒钟片段。你可能立即就能评定该片段是正放还是倒放。一些明显的信息会表现出来：雨水应该朝地面降落，树叶应该与树分离，而不是贴回树上。
气候系统包含无数不可逆的过程，平静的一天或暴风雨的一天都会产生熵。与能量一样，熵是任何热力学系统的一个特性，如果知道系统的状态，就可以计算熵。但与能量不同，熵是不守恒的。相反，它是由不可逆过程不断产生的。虽然物理学家经常考虑理想的可逆过程，但所有真实的物理过程都是不可逆的，因此会产生熵。
根据热力学第二定律，气候系统的不可逆性会持续增加宇宙的总熵。然而，就总能量而言，气候系统中的总熵相对稳定。这是因为气候是一个开放系统，它从太阳接收的熵远小于它向宇宙输出的熵（见方框1）。输入和输出之间的差异是通过摩擦、混合或不可逆相变在局部产生的。
方框1. 辐射熵
与物质一样，辐射也遵循热力学第二定律。因此，熵和不可逆性的概念与光子的关系就像与原子和分子的关系一样。但是，尽管关于物质的第二定律在19世纪中期由卡诺（Sadi Carnot）[2]、克劳修斯（Rudolf Clausius）[15]和其他人利用经典热力学技术发展起来，但对辐射熵的全面解释需要等到普朗克（Max Planck）的热辐射理论[16]。普朗克认为，辐射光束携带的熵取决于其频谱、角度分布和极化。一定量的辐射能量在低频、各向同性且非极化的状态时携带的熵最大。
地球将聚焦的太阳辐射光束，转换为由反射的太阳辐射和频率低得多的地面辐射组成的弥散光束。因此，包括吸收、发射和反射在内的辐射相互作用在地球上是不可逆的，并有助于地球的熵增。对这种产生方式的简单分析可以让人很快否定有时在当今全球变暖讨论中出现的概念，即温室效应违反热力学第二定律。
事实上，辐射过程的不可逆熵增是地球上不可逆性的主要来源。然而，大多数将第二定律应用到地球上的研究只认为物质（原子和分子）是气候系统的一部分，而辐射（光子）被认为是环境的一部分。在这种观点下，辐射被视为是外部的可逆的热源或汇，辐射过程的不可逆性不属于行星热机的讨论范围。
尽管气候大致稳定，但它远离热力学平衡——一种非常寒冷、乏味的没有运动的状态。相反，气候系统可能被认为是一个热机，由入射在其上的太阳辐射的不均匀分布驱动。正是这些能量梯度，以及由此产生的温度和压力梯度，使得地球上吹起了风[1]。
2.作为热机的气候系统
热机的概念对热力学工程师和学生来说很熟悉。通过将热从热源传输到冷源，热机产生机械能并用于做有用功。例如蒸汽机、内燃机和发电厂。当该过程反向运行时，热机就变成冰箱或热泵。
热机效率提供了对于给定热量输入可以产生多少功的信息。热力学第二定律的一个重要结果是，热机效率存在理论上限，它可以表示为热源和冷源温度TH和TC的简单函数数学公式：
卡诺效率以最先推导它的科学家的名字命名[2]， ηC决定了任何热机可以对外部物体做的最大可能功。这是通过一个封闭的可逆（理想）热机实现的，称为卡诺热机（见图1a）。真正的热机永远无法真正达到卡诺效率，因为它们的功输出受到不可逆过程的限制（见图1b）。例如，内燃机的输出受到活塞和气缸之间的摩擦损耗以及对周围环境的热传导损耗的限制。
图2. 作为热机的气候。热机通过从热库（源）吸收一定量的热Qin，并将少量的热Qout沉积到冷库（汇）中，以功W的形式产生机械能。（a）理想的卡诺热机以最大可能的效率完成这个过程。（b）真实的热机是不可逆的，一些功通过不可逆熵增TδS而损失。（c）对于气候系统来说，太阳是最终的热源，而外太空则是汇。功在内部运转，产生风和洋流。因此，Qin=Qout。
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？
3.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）。
