Przy powierzchni Ziemi dwutlenek węgla (CO2) pochłania część promieniowania podczerwonego emitowanego przez grunt i atmosferę, a potem emituje je w różnych kierunkach. Tymczasem w bardzo rzadkiej stratosferze cząsteczka dwutlenku węgla ma dużą szansę wypromieniować energię prosto w kosmos - uważają badacze.
Choć temperatura na powierzchni Ziemi i w niższych warstwach atmosfery rośnie, górna atmosfera planety wyraźnie się ochłodziła – przypominają naukowcy z Columbia University (USA). Ten pozorny paradoks związany z ociepleniem klimatu jest dobrze znany, ale stojący za nim mechanizm pozostawał w dużej mierze zagadką.
Nowe badanie przedstawione w piśmie „Nature Geoscience” wydaje się ją rozwiązywać, wskazując na sposób, w jaki dwutlenek węgla oddziałuje ze światłem o różnej długości fali.
– Wyjaśnia to zjawisko, które jest swoistym odciskiem palca zmiany klimatu. Obserwuje się je od dziesięcioleci, a dotąd nie było rozumiane – mówi prof. Robert Pincus, z Lamont-Doherty Earth Observatory w Columbia University, autor badania.
Naukowcy wyjaśniają, że w niższych warstwach atmosfery cząsteczki CO2 zatrzymują ciepło, które w przeciwnym razie uciekłoby w przestrzeń kosmiczną.
Z kolej na dużych wysokościach, w stratosferze rozciągającej się od około 11 do 50 km nad powierzchnią Ziemi, cząsteczki te działają niemal jak grzejnik oddający ciepło – pochłaniają energię podczerwoną z niższych warstw atmosfery i emitują część tej energii w kosmos.
Gdy CO2 jest więcej, stratosfera skuteczniej wypromieniowuje ciepło, a przez to się ochładza.
Mechanizm taki przewidziały w latach 60. XX wieku nagrodzone Nagrodą Nobla modele klimatu Ziemi i globalnego ocieplenia wywołanego przez CO2, opracowane przez Syukuro Manabego.
Tymczasem – tłumaczą eksperci – od połowy lat 80. stratosfera ochłodziła się o około 2 st. C. Szacuje się, że to ponad dziesięć razy większy spadek temperatury, niż wystąpiłby bez emisji CO2 spowodowanych działalnością człowieka.
– Dotychczasowy model był niezwykle przenikliwy, ale obecnie brakuje nam ilościowej teorii opisującej ochładzanie stratosfery wywołane przez CO2 – podkreśla dr Sean Cohen, także z Columbia University, główny autor badania.
Ekspert i jego współpracownicy stworzyli ulepszoną teorię, a wykorzystali do tego tzw. metodę iteracyjną. Otóż wskazywali kluczowe procesy odpowiedzialne za ochładzanie stratosfery, przypisywali im matematyczne wartości, porównywali wyniki swoich prostych modeli z rozbudowanymi symulacjami i danymi z rzeczywistego świata. Następnie korygowali równania i powtarzali cały proces.
W ciągu kilku miesięcy wyprowadzili równania, które najlepiej pasują do obserwacji.
W ten sposób wskazali kluczowy czynnik całego procesu – sposób, w jaki cząsteczki CO₂ oddziałują ze światłem, a zwłaszcza z promieniowaniem podczerwonym.
Jak wyjaśniają, nie każda długość fali podczerwieni przenika przez cząsteczki CO2 w taki sam sposób. Niektóre fale silniej przyczyniają się do ochładzania niż inne, a naukowcy ustalili, że szczególnie skuteczne są długości fal z pewnej „strefy w sam raz”. Okazuje się przy tym, że w miarę gromadzenia się CO2 w atmosferze strefa ta się rozszerza.
– To właśnie te zmiany skuteczności będą ostatecznie napędzać ochładzanie stratosfery – mówi dr Cohen.
Do swojego modelu naukowcy dodali także działanie ozonu i pary wodnej. Te substancje również mogą zatrzymywać ciepło w niższych warstwach atmosfery, a w stratosferze przyczyniać się do jej ochładzania przez wypromieniowywanie energii.
Jednak okazuje się, że ich wpływ jest niewielki w porównaniu z działaniem dwutlenku węgla.
Nowa teoria, jak podkreślają jej autorzy, zgadza się z trzema dobrze opisanymi zjawiskami – z tym, jak ochładzanie się stratosfery zmienia się wraz z wysokością (jest najsłabsze w jej dolnej części, a najsilniejsze w górnej), z tym, że każde podwojenie stężenia CO2 oznacza spadek temperatury o 8 st. C w stratopauzie (w najwyższych rejonach stratosfery) oraz z tym, że chłodniejsza stratosfera pozwala mniejszej ilości energii podczerwonej uciekać w kosmos, co wzmacnia zatrzymywanie ciepła przez CO2.
Innymi słowy, CO2 sprawia, że stratosfera skuteczniej wypromieniowuje energię, przez co się ochładza, ale ponieważ sama staje się zimniejsza, cały system Ziemi ostatecznie oddaje do przestrzeni kosmicznej mniej ciepła, co nasila ocieplenie niskich warstw atmosfery.
Autorzy odkrycia podkreślają, że jego znaczenie polega nie tyle na dostarczeniu kolejnego dowodu na potwierdzone już globalne ocieplenie, ile na lepszym zrozumieniu mechanizmów stojących za ochładzaniem stratosfery.
Dodają, że oprócz nadania kierunku przyszłym badaniom nad tym procesem na Ziemi, uzyskane wyniki mogą też okazać się przydatne dla naukowców badających warunki panujące na innych planetach niż Ziemia.
Marek Matacz (PAP)
mat/ agt/
Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.
