Камила Нургалиева Парадоксальное явление, при котором поверхность Земли и нижние слои атмосферы нагреваются, а верхние стремительно остывают, долгое время оставалось малоизученным с точки зрения физики. Это температурное расхождение признано одним из главных индикаторов антропогенного воздействия на климатическую систему. Группа исследователей из Колумбийского университета опубликовала в журнале Nature Geoscience работу, подробно описывающую механику этого процесса. Ученые доказали, что снижение температуры стратосферы напрямую зависит от специфики взаимодействия углекислого газа с различными длинами световых волн.
В тропосфере молекулы диоксида углерода удерживают тепло, не позволяя ему уходить в космическое пространство. Однако на высотах от 11 до 50 километров физика процесса меняется. В стратосфере углекислый газ работает как радиатор – он поглощает инфракрасную энергию, исходящую снизу, и излучает ее часть в космос. При повышении концентрации газа стратосфера начинает отдавать тепло более интенсивно, что приводит к ее охлаждению. Эту закономерность еще в шестидесятых годах предсказал климатолог Сюкуро Манабэ. С середины восьмидесятых годов стратосфера остыла примерно на два градуса Цельсия, что на порядок превышает показатели, возможные без учета промышленных выбросов.
Несмотря на понимание базовых принципов, точная количественная теория охлаждения до сих пор отсутствовала. Исследователи разработали математическую модель, сопоставив теоретические расчеты с массивами данных наблюдений. Основным фактором оказалось взаимодействие углекислого газа с длинноволновым инфракрасным излучением. Ученые установили, что максимальный эффект достигается в определенном диапазоне длин волн. По мере накопления диоксида углерода в атмосфере этот диапазон расширяется, что и становится главным драйвером снижения температуры в верхних слоях. Влияние озона и водяного пара, которые способствуют созданию «парникового эффекта» вблизи поверхности, в стратосфере оказалось незначительным.
Полученные уравнения описывают несколько сопутствующих явлений. Остывание распределяется неравномерно – минимальные изменения фиксируются в нижней части стратосферы, а максимальные наблюдаются на ее верхней границе. Удвоение объема углекислого газа приводит к падению температуры стратопаузы на восемь градусов Цельсия. При этом из-за общего охлаждения стратосферы Земля теряет меньше тепла, что дополнительно усиливает нагрев поверхности планеты. Авторы исследования отмечают, что созданная математическая база не только детализирует механику земных климатических изменений, но и может применяться для изучения атмосфер других планет Солнечной системы и экзопланет.
