Stratosfærisk effekt øker global oppvarming når karbondioksidnivåene øker – Physics World

Stratosfærisk effekt øker global oppvarming når karbondioksidnivåene øker – Physics World

Tidsstempel: 8. desember 2023 6:16

Blå himmel og skyer
Skyhøyt: ny forskning har kastet lys over hvordan høyere karbondioksidnivåer i stratosfæren bidrar til global oppvarming. (Med tillatelse: iStock/magann)

Effekten av å doble atmosfærisk karbondioksid på klimaet blir mer uttalt når karbondioksidnivåene øker – har forskere i USA vist. Denne effekten, som ikke var tatt med i tidligere estimater av jordens strålingsbudsjett, forklarer omtrent halvparten av variasjonen mellom estimater av klimaets følsomhet for økt karbondioksid. Det antyder også en potensiell ny tilnærming til geoengineering.

Jordens overflate varmes opp av solstråling og sender ut infrarød stråling tilbake til verdensrommet. Imidlertid absorberes mye av denne infrarøde strålingen av karbondioksid og andre gasser i den nedre atmosfæren (troposfæren). Dette fanger varmen omtrent som glasset i et drivhus. Uten denne drivhuseffekten ville ikke jorden vært varm nok for flytende vann og kunne ikke bære liv.

I de siste to århundrene har menneskelig aktivitet økt mengden karbondioksid i atmosfæren – forsterket drivhuseffekten og varmet opp jordoverflaten og troposfæren.

Stratosfæriske effekter

Denne beskrivelsen er imidlertid en forenkling. Omtrent 8–15 km over jordens overflate ligger tropopausen, og over denne er stratosfæren. Stratosfæren absorberer også innkommende solstråling og sender ut energi på nytt ved infrarøde bølgelengder - hvorav det meste går tilbake til verdensrommet. Siden stratosfærens viktigste varmekilde er ovenfra, er den varmest på toppen.

"Mens troposfæren er koblet til overflaten av turbulente varmestrømmer, skjer den eneste varmevekslingen i stratosfæren gjennom stråling," forklarer atmosfærisk vitenskapsmann. Brian Soden ved University of Miami i Florida. "Når vi legger til karbondioksid, øker vi emissiviteten ved infrarøde bølgelengder, noe som gjør at stratosfæren ønsker å sende ut mer stråling." Dette må tas med når man beregner «strålingskraften» av økende karbondioksid, som er et mål på hvor mye en økning forstyrrer jordens strålingsenergibalanse.

Strålingspådriv er en avgjørende parameter i klimaspådommer gjort av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), men nøyaktigheten har blitt stilt betydelig spørsmål ved de siste 30 årene. For eksempel har forskjellige modeller vært uenige med opptil 50 % om strålingspåvirkningen som følge av en dobling av den atmosfæriske konsentrasjonen av karbondioksid. Nå mener Soden og medarbeidere å kunne forklare en betydelig del av dette hittil uforklarlige avviket.

Førindustrielle forhold

"Nesten alle tidligere beregninger av strålingspådrivet fra karbondioksid ville ta en klimatologi av temperaturprofiler fra for eksempel førindustrielle forhold – så du vil ha en global fordeling av temperatur og fuktighet og 280 ppm karbondioksid – og du vil gjenta det beregning, men i stedet for 280 ppm ville du doble det, forklarer Soden. "Du kan til og med gjøre det med en rekkevidde: vi vet at å tvinge fra karbondioksid øker ikke lineært, men med logaritmen fra 1 ppm til noe sånt som 10,000 10 ppm ... Men alle disse beregningene antar den samme klimatologien - og det var der det var en frakobling : du ville ikke forvente de samme temperatur- og fuktighetsprofilene for 100 ppm som for 1000 ppm eller XNUMX ppm." Forskerne utviklet derfor modeller for hvordan strålingspådrivet ville endre seg etter hvert som karbondioksidkonsentrasjonen i atmosfæren økte.

En kontraintuitiv spådom som dateres tilbake til de første detaljerte spådommene om menneskeskapte klimaendringer på 1960-tallet, og som har blitt verifisert eksperimentelt, er at stratosfæren avkjøles fordi økt karbondioksid øker emissiviteten, noe som får den til å miste mer varme til rommet. Samtidig frigjør troposfæren i bunnen mindre varme fordi det økte karbondioksidet fanger mer infrarød stråling.

"Når du øker emissiviteten, må du redusere temperaturen for at [stratosfæren] skal forbli i strålingslikevekt." Denne avkjølingen gjør at ved høyere karbondioksidkonsentrasjoner synker temperaturen ytterligere og det blir vanskeligere for jorden å stråle bort varme. Strålingskraften av karbondioksid blir derfor stadig større. Hver ekstra tilførsel av karbondioksid  har derfor en større tvingende effekt.

Etter denne logikken ser forskerne nå på nye ideer for geoengineering. Tidligere studier har fokusert på bruken av aerosoler som reflekterer sollys tilbake til verdensrommet: "I dette arbeidet foreslår vi å bruke absorberende aerosoler for å varme opp [stratosfæren] og føre til mindre karbondioksidpådriv, sier Haozhe He, som ledet arbeidet som Sodens PhD-student og er nå postdoktor ved Princeton University. Denne ideen støttes av det faktum at utbruddet av Pinatubo-fjellet i 1991, som forårsaket dramatisk troposfærisk avkjøling, ble ledsaget av stratosfærisk oppvarming fra sulfataerosoler.

"Dette er et veldig viktig [resultat] for klimasamfunnet - det løser et stort mysterium om hvorvidt vi var trofast behandlet prosessene som driver global oppvarming," sier William Collins fra Lawrence Berkeley National Laboratory i USA, en koordinerende hovedforfatter av den sjette vurderingen av IPCC. «Det [Soden og kollegene] har vist er at klimasamfunnet har gjort en mye bedre jobb enn vi har ant i flere tiår. Modellene var riktige hele tiden, vi testet dem på feil måte. De ga alltid et bedre svar enn vi trodde.»

Forskningen er beskrevet i Vitenskap.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden