Η επιφάνεια της Γης και η κατώτερη ατμόσφαιρα γίνονται όλο και πιο θερμές, αλλά πολύ πιο πάνω από τον πλανήτη, μια άλλη δραματική αλλαγή εξελίσσεται προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Η ανώτερη ατμόσφαιρα ψύχεται σταθερά εδώ και δεκαετίες, δημιουργώντας ένα από τα πιο αναγνωρίσιμα σημάδια της ανθρωπογενούς κλιματικής αλλαγής. Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι αυτό συνέβαινε, αλλά η λεπτομερής φυσική πίσω από το φαινόμενο παρέμενε ασαφής.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Columbia εντόπισαν τον μηχανισμό ψύξης της ανώτερης ατμόσφαιρας, συνδέοντάς τον με την αλληλεπίδραση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) με συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός.
Η μελέτη αυτή διευκρινίζει πώς το CO2 επηρεάζει τις θερμοκρασιακές μεταβολές στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. «Εξηγεί ένα φαινόμενο που αποτελεί σήμα κατατεθέν της κλιματικής αλλαγής, το οποίο γνωρίζουμε ότι συμβαίνει εδώ και δεκαετίες, αλλά δεν είχε γίνει κατανοητό», λέει ο Ρόμπερτ Πίνκους, ερευνητής καθηγητής φυσικής των ωκεανών και του κλίματος στο Παρατηρητήριο Γης Lamont-Doherty, το οποίο αποτελεί τμήμα της Κλιματικής Σχολής του Κολούμπια (Columbia Climate School), και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Geoscience.
Το CO2 παγιδεύει τη θερμότητα κοντά στην επιφάνεια της Γης, προκαλώντας υπερθέρμανση, αλλά οι συνθήκες αλλάζουν δραματικά σε υψηλότερα επίπεδα της ατμόσφαιρας. Αυτό το φαινόμενο εξηγεί γιατί το CO2 θερμαίνει τον πλανήτη ενώ παράλληλα ψύχει τη στρατόσφαιρα.
Στη στρατόσφαιρα, η οποία εκτείνεται περίπου από τα 11 έως τα 50 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, το CO2 συμπεριφέρεται περισσότερο σαν σύστημα ψύξης παρά σαν κουβέρτα, εκπέμποντας υπέρυθρη ενέργεια πίσω στο διάστημα. Καθώς οι συγκεντρώσεις CO2 αυξάνονται, η στρατόσφαιρα αποβάλλει θερμότητα πιο αποτελεσματικά, προκαλώντας πτώση των θερμοκρασιών στο συγκεκριμένο στρώμα της ατμόσφαιρας.
Οι επιστήμονες προέβλεψαν για πρώτη φορά αυτό το φαινόμενο τη δεκαετία του 1960, μέσα από πρωτοποριακά κλιματικά μοντέλα που ανέπτυξε ο κλιματολόγος Σιουκούρο Μανάμπε, του οποίου το έργο τιμήθηκε αργότερα με το Βραβείο Νόμπελ.
Από τα μέσα της δεκαετίας του 1980, η στρατόσφαιρα έχει ψυχθεί κατά περίπου 2 βαθμούς Κελσίου. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτή η ψύξη είναι πάνω από 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη που θα είχε σημειωθεί χωρίς τις ανθρωπογενείς εκπομπές CO2. Ακόμη και έτσι, πολλές λεπτομέρειες της διαδικασίας παρέμεναν ανεπίλυτες.
«Η υπάρχουσα θεωρία ήταν απίστευτα διορατική, αλλά αυτή τη στιγμή μάς λείπει μια ποσοτική θεωρία για τη στρατοσφαιρική ψύξη που προκαλείται από το CO2», λέει ο Σον Κόεν, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Παρατηρητήριο Γης Lamont-Doherty, το οποίο αποτελεί τμήμα της Κλιματικής Σχολής του Κολούμπια, και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Η υπέρυθρη «Ζώνη Goldilocks»
Για να κατανοήσει καλύτερα το φαινόμενο, ο Κόεν εργάστηκε μαζί με τον Πίνκους και τον Λορέντζο Πολβάνι, γεωφυσικό στο Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών της Σχολής Μηχανικών του Κολούμπια (Columbia Engineering).
Η ομάδα βελτίωνε επανειλημμένα τα μαθηματικά μοντέλα που προσομοίωναν τις διαδικασίες που εμπλέκονται στη στρατοσφαιρική ψύξη. Συνέκριναν τους υπολογισμούς τους με προηγμένες κλιματικές προσομοιώσεις και παρατηρήσεις από τον πραγματικό κόσμο, προσαρμόζοντας τις εξισώσεις για αρκετούς μήνες μέχρι τα αποτελέσματα να ευθυγραμμιστούν.
Διαφορετικά μήκη κύματος του υπέρυθρου φωτός συμπεριφέρονται διαφορετικά στην ατμόσφαιρα. Ορισμένα είναι πολύ πιο αποτελεσματικά στην πρόκληση ψύξης σε σχέση με άλλα. Η ομάδα εντόπισε ένα ιδιαίτερα αποδοτικό εύρος μηκών κύματος, το οποίο περιέγραψε ως μια “ζώνη Goldilocks”.
Καθώς τα επίπεδα του ατμοσφαιρικού CO2 συνεχίζουν να αυξάνονται, η ζώνη αυτή διευρύνεται. «Αυτές ακριβώς οι αλλαγές στην αποδοτικότητα είναι που τελικά θα αποτελέσουν τον κινητήριο μοχλό της στρατοσφαιρικής ψύξης», λέει ο Κόεν.
Η μελέτη μέτρησε επίσης την επίδραση του όζοντος και των υδρατμών. Και τα δύο αέρια παίζουν παρόμοιο ρόλο, εγκλωβίζοντας τη θερμότητα στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας, ενώ συμβάλλουν στην ψύξη των υψηλότερων στρωμάτων μέσω της εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας. Ωστόσο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η συνολική τους επίδραση στη στρατοσφαιρική ψύξη είναι μικρή σε σύγκριση με εκείνη του CO2.
Πώς η ψύξη της ανώτερης ατμόσφαιρας ενισχύει τη θέρμανση στα κατώτερα στρώματα
Οι εξισώσεις της ομάδας αναπαρήγαγαν με επιτυχία αρκετά ατμοσφαιρικά μοτίβα που παρατηρούνται εδώ και καιρό. Τα μοντέλα έδειξαν ότι η ψύξη γίνεται ισχυρότερη όσο αυξάνεται το υψόμετρο, με την ασθενέστερη ψύξη να καταγράφεται στα χαμηλότερα στρώματα της στρατόσφαιρας και την ισχυρότερη κοντά στο ανώτατο όριό της.
Επιβεβαίωσαν επίσης ότι κάθε διπλασιασμός του CO2 προκαλεί ψύξη περίπου 8 βαθμών Κελσίου στη στρατόπαυση, το ανώτατο άκρο της στρατόσφαιρας. Τα ευρήματα αποκαλύπτουν επίσης μια κλιματική επίδραση ανατροφοδότησης (climate feedback effect). Η αύξηση του CO2 βοηθά τη στρατόσφαιρα να ακτινοβολεί τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά, γεγονός που ψύχει τη συγκεκριμένη περιοχή.
Καθώς όμως η στρατόσφαιρα ψύχεται, το γήινο σύστημα απελευθερώνει τελικά λιγότερη υπέρυθρη ενέργεια προς το διάστημα συνολικά, επιτρέποντας σε περισσότερη θερμότητα να παραμείνει εγκλωβισμένη πιο κοντά στην επιφάνεια.
«Πρόκειται για μια διαδικασία που γνωρίζουμε εδώ και πάνω από 50 χρόνια, και είχαμε μια αρκετά καλή ποιοτική κατανόηση του πώς λειτουργούσε. Ωστόσο, δεν κατανοούσαμε τις λεπτομέρειες σχετικά με το τι ακριβώς πυροδοτούσε αυτή τη διαδικασία από άποψη μηχανισμού», λέει ο Κόεν.
Σύμφωνα με τους Κόεν και Πίνκους, η μελέτη δεν έχει ως στόχο να αποδείξει την ύπαρξη της παγκόσμιας θέρμανσης. Αντίθετα, προσφέρει μια σαφέστερη κατανόηση μιας από τις πιο σημαντικές ατμοσφαιρικές διαδικασίες της κλιματικής αλλαγής.
«Αυτό μας δείχνει πραγματικά τι είναι το ουσιώδες», λέει ο Πίνκους. Η έρευνα θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες που μελετούν ατμόσφαιρες πέρα από τη Γη, συμπεριλαμβανομένων των πλανητών του ηλιακού μας συστήματος αλλά και μακρινών εξωπλανητών. «Ίσως μπορέσουμε να κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει στις στρατόσφαιρες άλλων πλανητών στο ηλιακό μας σύστημα ή σε εξωπλανήτες», αναφέρει ο Κόεν.