要了解地球的气候，可以把它想象成一个巨大的、行星级的热机，它吸收太阳辐射来加热，向太空辐射能量来冷却，同时驱动海洋和大气循环。哪些因素决定着地球热机的效率？地球热机的运行如何影响日常天气？在全球气候剧烈变化时代，地球热机将如何响应？
2022年1月，《现代物理评论》杂志发表综述文章“气候系统与热力学第二定律”，回顾了热力学和统计物理方法在地球气候系统研究中的应用。本篇翻译自论文作者近日在Physics Today杂志发表的评论文章。
纵观历史，地球经历了截然不同的气候，包括“雪球地球”时期，期间地球完全被冰雪覆盖，以及温室时期，期间史前鳄鱼可能在北极漫游。近期的人为温室气体排放是当代气候快速变化的原因，对社会和生态系统造成了日益严重的危害。
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的变化。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，以及人为二氧化碳排放等内部作用造成的。
气候系统的另一个特征是不可逆的演化。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的同一片田野和同一棵树的10秒钟片段。你可能立刻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。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。
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。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。
然而，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。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。
除了做功外，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？