Исследователи из Колумбийского университета представили количественную теорию процесса, который на протяжении десятилетий считался одним из наиболее явных признаков глобального изменения климата. В то время как нижние слои атмосферы и поверхность Земли нагреваются, стратосфера – слой на высоте от 11 до 50 километров – демонстрирует обратную тенденцию. С середины 1980-х годов температура в этом слое снизилась примерно на два градуса Цельсия. По оценкам ученых, такой темп охлаждения в десять раз превышает показатели, возможные без учета антропогенного воздействия.
Хотя этот эффект был предсказан еще в 1960-х годах климатологом Сюкуро Манабэ, точные физические механизмы охлаждения долгое время оставались не до конца изученными. Группа ученых под руководством Шона Коэна и Роберта Пинкуса из обсерватории Ламонт-Доэрти разработала модель, описывающую взаимодействие молекул углекислого газа с инфракрасным излучением разной длины волны.
Вблизи земной поверхности высокая плотность воздуха заставляет углекислый газ удерживать тепло, создавая парниковый эффект. Однако в разреженной стратосфере молекулы CO2 ведут себя иначе: они поглощают энергию, поднимающуюся снизу, и эффективно переизлучают ее часть в открытый космос. Авторы работы выделили определенный диапазон инфракрасного спектра, названный ими «зоной Златовласки», в котором этот процесс протекает наиболее интенсивно. По мере роста концентрации углекислого газа данный диапазон расширяется, увеличивая способность атмосферы сбрасывать энергию.
Математическая модель подтвердила данные многолетних наблюдений: охлаждение усиливается с набором высоты и достигает максимума у верхней границы стратосферы. Расчеты показывают, что каждое удвоение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к падению температуры в районе стратопаузы примерно на восемь градусов Цельсия. При этом влияние других факторов, таких как содержание водяного пара или озона, оказалось существенно менее значимым по сравнению с воздействием углекислого газа.
Охлаждение верхних слоев атмосферы имеет парадоксальное последствие для глобального потепления. Из-за снижения температуры стратосфера в конечном итоге возвращает в космос меньше суммарной энергии. Это создает дополнительную обратную связь, которая способствует удержанию тепла в нижних слоях атмосферы и усиливает нагрев поверхности планеты.
По мнению авторов работы, полученные данные не только уточняют климатические модели Земли, но и могут быть применены для изучения атмосфер других планет. Понимание фундаментальных принципов взаимодействия газа и радиации позволяет ученым точнее прогнозировать долгосрочные изменения климата в масштабах всей планеты.
