Stratosfäreffekten ökar den globala uppvärmningen när koldioxidnivåerna stiger – Physics World

Stratosfäreffekten ökar den globala uppvärmningen när koldioxidnivåerna stiger – Physics World

Tidsstämpel: 8 december 2023 6:16

Blå himmel och moln
Skyhögt: ny forskning har belyst hur högre koldioxidnivåer i stratosfären bidrar till den globala uppvärmningen. (Med tillstånd: iStock/magann)

Effekten av en fördubbling av atmosfärens koldioxid på klimatet blir mer uttalad när koldioxidnivåerna stiger, har forskare i USA visat. Denna effekt, som inte hade tagits med i tidigare uppskattningar av jordens strålningsbudget, förklarar ungefär hälften av variationen mellan uppskattningar av klimatets känslighet för ökad koldioxid. Det föreslår också ett potentiellt nytt tillvägagångssätt för geoteknik.

Jordens yta värms upp av solstrålning och den sänder ut infraröd strålning tillbaka till rymden. Mycket av denna infraröda strålning absorberas dock av koldioxid och andra gaser i den lägre atmosfären (troposfären). Detta fångar värme ungefär som glaset i ett växthus. Utan denna växthuseffekt skulle jorden inte vara tillräckligt varm för flytande vatten och kunde inte försörja liv.

Under de senaste två århundradena har mänsklig aktivitet ökat mängden koldioxid i atmosfären – förstärkt växthuseffekten och värmt upp jordens yta och troposfären.

Stratosfäriska effekter

Denna beskrivning är dock en förenkling. Cirka 8–15 km över jordens yta ligger tropopausen, och ovanför denna ligger stratosfären. Stratosfären absorberar också inkommande solstrålning och återutsänder energi vid infraröda våglängder – varav det mesta går tillbaka ut i rymden. Eftersom stratosfärens huvudsakliga värmekälla är ovanifrån är den varmast på toppen.

"Medan troposfären är kopplad till ytan av turbulenta värmeflöden, sker det enda värmeväxlingen i stratosfären genom strålning", förklarar atmosfärsforskare Brian Soden vid University of Miami i Florida. "När vi lägger till koldioxid ökar vi emissiviteten vid infraröda våglängder, vilket gör att stratosfären vill sända ut mer strålning." Detta måste tas med när man beräknar "strålningskraften" av ökande koldioxid, vilket är ett mått på hur mycket en ökning stör jordens strålningsenergibalans.

Strålningspåverkan är en avgörande parameter i klimatförutsägelser som gjorts av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), men dess noggrannhet har ifrågasatts avsevärt under de senaste 30 åren. Till exempel har olika modeller varit oense med upp till 50 % om den strålningskraft som är resultatet av en fördubbling av atmosfärens koncentration av koldioxid. Nu tror Soden och kollegor att de kan förklara en betydande del av denna hittills oförklarade diskrepans.

Förindustriella förhållanden

"Nästan alla tidigare beräkningar av strålningskraften från koldioxid skulle ta en klimatologi av temperaturprofiler från till exempel förindustriella förhållanden - så du skulle ha en global fördelning av temperatur och luftfuktighet och 280 ppm koldioxid - och du skulle upprepa det beräkning, men istället för 280 ppm skulle du fördubbla det”, förklarar Soden. "Du kan till och med göra det med ett intervall: vi vet att forcering från koldioxid ökar inte linjärt utan med logaritmen från 1 ppm till något i stil med 10,000 10 ppm... Men alla dessa beräkningar antar samma klimatologi - och det var där det fanns en frånkoppling : du skulle inte förvänta dig samma temperatur- och luftfuktighetsprofiler för 100 ppm som för 1000 ppm eller XNUMX ppm." Forskarna utvecklade därför modeller för hur strålkraften skulle förändras när koldioxidkoncentrationen i atmosfären ökade.

En kontraintuitiv förutsägelse som går tillbaka till de första detaljerade förutsägelserna om antropogena klimatförändringar på 1960-talet, och som har verifierats experimentellt, är att stratosfären svalnar eftersom ökad koldioxid höjer dess emissionsförmåga, vilket gör att den förlorar mer värme till rymden. Samtidigt avger troposfären på botten mindre värme eftersom den ökade koldioxiden fångar in mer infraröd strålning.

"När du ökar emissiviteten måste du minska temperaturen för att [stratosfären] ska förbli i strålningsjämvikt." Denna nedkylning gör att vid högre koldioxidkoncentrationer sjunker temperaturen ytterligare och det blir svårare för jorden att stråla bort värme. Strålningskraften av koldioxid blir därför allt större. Varje ytterligare tillförsel av koldioxid  har därför en större tvingande effekt.

Efter denna logik tittar forskarna nu på nya idéer för geoteknik. Tidigare studier har fokuserat på användningen av aerosoler som reflekterar solljus tillbaka ut i rymden: "I detta arbete föreslår vi att använda absorberande aerosoler för att värma upp [stratosfären] och leda till mindre koldioxidkraft, säger Haozhe He, som ledde arbetet som Sodens doktorand och nu är postdoc vid Princeton University. Denna idé stöds av det faktum att utbrottet av Mount Pinatubo 1991, som orsakade dramatisk troposfärisk kylning, åtföljdes av stratosfärisk uppvärmning från sulfataerosoler.

"Detta är ett mycket viktigt [resultat] för klimatgemenskapen - det löser ett stort mysterium om huruvida vi troget behandlade processerna som driver den globala uppvärmningen", säger William Collins av Lawrence Berkeley National Laboratory i USA, en samordnande huvudförfattare till den sjätte utvärderingen av IPCC. "Vad [Soden och kollegor] har visat är att klimatsamhället har gjort ett mycket bättre jobb än vi misstänkt i decennier. Modellerna var korrekta hela tiden, vi testade dem på fel sätt. De gav alltid ett bättre svar än vi trodde."

Forskningen beskrivs i Vetenskap.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden