隨著地球表面和低層大氣持續變暖，地球大氣層的另一部分正在做相反的事情。幾十年來，高於地面的高層大氣一直在顯著冷卻。科學家們早就認識到，這種不尋常的對比是人為造成的氣候變遷最明顯的信號之一，但背後的確切物理原理仍不清楚。
現在，哥倫比亞大學的研究人員表示，他們終於發現了造成這現象的機制。他們的新研究顯示二氧化碳（CO2）與不同波長的光相互作用，冷卻上層大氣並使下面的行星變暖。
哥倫比亞氣候學院拉蒙特-多爾蒂地球觀測站海洋和氣候物理學研究教授、該研究的合著者羅伯特·平卡斯（Robert Pincus）說：“這描述了一種已經發生了幾十年但尚未被理解的現象，這是氣候變遷的指紋。” 自然地質學。
為什麼選擇二氧化碳2 冷卻平流層
靠近地球表面，CO2 它會捕捉原本會逃逸到太空中的熱量，導致全球暖化。但高層大氣中的情況卻截然不同。
在平流層中，大氣層距離地球表面約 11 公里至 50 公里，CO2 它的作用更像是一個冷卻系統。分子吸收從下方升起的紅外線能量，然後將其中一些能量釋放回太空。作為大氣CO2 隨著水平上升，平流層的散熱能力變得更加有效，導致那裡的溫度下降。
科學家在 1960 年代首次透過氣候科學家真鍋修郎 (Syukuro Manabe) 開發的氣候模型預測了這種影響，他的工作後來獲得了諾貝爾獎。自 1980 年代中期以來，平流層已降溫約攝氏 2 度。研究人員估計，這種冷卻效果比沒有人為二氧化碳的情況下冷卻效果高出 10 倍2 排放。
儘管科學家了解平流層冷卻背後的整體思路，但許多詳細過程仍未解決。
“目前的理論非常有洞察力，但我們目前缺乏二氧化碳的定量理論。”2該研究的主要作者、哥倫比亞氣候學院拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的博士後研究科學家肖恩·科恩表示，這會導致平流層變冷。
紅外線光的“金髮區”
為了解決這個難題，科恩與平卡斯和哥倫比亞工程學院應用物理和應用數學系的地球物理學家洛倫佐·波爾瓦尼合作。該團隊創建了數學模型來描述驅動平流層冷卻的主要過程。他們反覆將計算結果與氣候模擬和觀測數據進行比較，並在幾個月內完善方程，直到模型與現實相符。
他們的研究強調了一個重要因素：CO2 分子與紅外光相互作用，也稱為長波輻射。
並非所有紅外線波長在大氣中的表現都相同。研究人員發現某些波長對於促進冷卻特別有效。他們將這個高產範圍描述為「金髮姑娘區」。作為CO2 隨著濃度的增加，該區域擴大，大氣的冷卻效率增加。
「正是這些效率的變化最終將推動平流層冷卻，」科恩說。
研究人員也研究了臭氧和水蒸氣的影響。雖然兩者都會影響大氣中的加熱和冷卻過程，但與二氧化碳相比，它們對平流層冷卻的影響相對較小。2。
平流層變冷如何加強下面的暖化？
該團隊的方程式成功地再現了大氣的許多已知特性。他們匹配的觀察結果表明，冷卻隨著高度的增加而增強，其中最大的冷卻發生在平流層頂部附近。計算也證實二氧化碳含量增加了一倍。2 它導致平流層頂溫度降低約攝氏8度，這是平流層的上限。
該研究還強調了重要的氣候回饋。儘管二氧化碳增加2 儘管它有助於平流層更有效地輻射熱量，但由此產生的較低溫度意味著地球系統最終向太空釋放的紅外線能量較少。這透過增強表面附近的熱量捕獲來強化低層大氣的加熱。
「這個過程我們已經了解了 50 多年，我們對其工作原理有了很好的定性理解。但我們不了解實際驅動這個過程的機制細節，」科恩說。
科恩和平卡斯表示，這項研究不是為了證明氣候變遷的存在，而是為了提高對大氣如何運作的科學理解。
「這告訴我們什麼是真正重要的，」平卡斯說。
這些發現也可能在地球之外有應用。研究人員表示，同樣的原理可以幫助科學家更了解其他行星和遙遠系外行星的大氣層。
「也許我們可以更好地了解太陽係其他行星或系外行星的平流層正在發生什麼，」科恩說。
