Ochładzanie w stratosferze

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
dział STRATOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)



Obniżanie się zawartości ozonu sprzyja obniżaniu się temperatury w stratosferze. Główną przyczyną ochładzania się stratosfery jest jednak uwalnianie do atmosfery dwutlenku węgla wskutek działalności ludzkiej. Globalne ocieplenie (= wzrost temperatury w troposferze) i ochładzanie się stratosfery są zatem skutkami równoległymi. Dalsze ochładzanie się stratosfery może mieć także wpływ na przyszły rozwój warstwy ozonowej, ponieważ niska temperatura w stratosferze jest jednym z czynników sprzyjających niszczeniu ozonu.
Pamiętajmy zatem, że coraz większe emisje CO2 mogą przyczyniać się do powstawania dziury ozonowej. Zrozumienie wszystkich czynników mających wpływ na ochładzanie się stratosfery jest jednak trudne. Spróbujmy przyjrzeć się najważniejszym z nich.

Czy stratosfera się ochładza?

Mierzenie temperatury w niższych wartswach  stratosfery nie jest tak łatwe jak przy powierzchni Ziemi.  Oczywiście nie ma gęstej sieci stacji pomiarowych dla warstw powietrza na wysokości 15-30 km.
Balony pogodowe, przyrządy do pomiarów przy użyciu mikrofali (ang. microwave sounding units, MSU, w użyciu od 1979 r.), rakiety meteorologiczne, lidar i satelity mierzą temperaturę w stratosferze, ale zazwyczaj serie pomiarowe obejmują nie więcej niż 30 lat. Ponadto dane te często wymagają naniesienia różnych poprawek, a i tak wzbudzają liczne wątpliwości.

ochładzanie w stratosferze

1. Odchylenia wartości globalnej średniej rocznej temperatury (°C) w niższych warstwach stratosfery w latach 1958-2000 od wartości średniej (zaznaczonej jako 0 na wykresie) z okresu 1979-1990, wg obserwacji z satelitów (MSU 4 i SSU 15X) oraz balonów (UKMO 4).
Strzałkami zaznaczono przypadki wystąpienia dużych erupcji wulkanicznych (Agung, El Chichon i Mt. Pinatubo).
Źródło: raport IPCC TAR w 2001 r., zmienione.

Niższe warstwy stratosfery ochładzają się prawdopodobnie o około 0,5°C na 10 lat. Ta generalna tendencja jest zakłócana przez silne erupcje wulkaniczne, które powodują czasowe ocieplenie stratosfery na 1-2 lata. Następnie temperatura znów się obniża.
Obliczenia wykonane przez kilka instytutów badawczych potwierdzają występowanie silniejszej tendencji ochładzającej w ciągu ostatnich 20 lat (1979-2000) w porównaniu do lat 1958-1978 (patrz ryc. 2).

wartości ochłodzenia stratosfery

2. Ochładzanie stratosfery wg różnych obliczeń
Źródło: raport IPCC TAR, 2001 r.

Dlaczego stratosfera się ochładza?

Ochładzanie stratosfery może mieć kilka przyczyn. Dwa najlepiej znane i zbadane powody to:

1) ubytek ozonu stratosferycznego,
2) wzrost stężenia CO2 w atmosferze.

Ochładzanie wskutek ubytku ozonu

Pierwszą z przyczyn łatwo zrozumieć. Mniej ozonu oznacza zmniejszenie pochłaniania promieniowania UV. Mniej energii słonecznej jest zamieniane na ciepło w stratosferze. Ochładzanie przez ozon to nic innego jak zredukowane ocieplanie wskutek zredukowanego pochłaniania promieniowania UV. Ponadto pamiętajmy, że ozon, zwłaszcza w niższych warstwach stratosfery, działa jak gaz cieplarniany. Ochładzanie w niższych warstwach stratosfery jest zatem także zredukowanym ogrzewaniem wskutek zredukowanego pochłaniania promieniowania podczerwonego. Na wysokości około 20 km wpływ promieniowania UV i promieniowania podczerwonego jest prawie taki sam. Musimy jednak brać pod uwagę nie tylko efekt cieplarniany wywoływany przez ozon, który zmniejsza się wraz ze wzrostem wysokości.

Ochładzanie wskutek efektu cieplarnianego

Gazy cieplarniane (CO2, O3, CFC) generalnie pochłaniają i emitują promieniowanie podczerwone w pewnym zakresie fal. Jeśli to pochłanianie jest bardzo silne, jak np. dla 15 µm (= 667 cm-1) w przypadku CO2, to dany gaz cieplarniany może zablokować większość emitowanego przez podłoże promieniowania podczerwonego już w pobliżu powierzchni ziemi. W tej sytuacji promieniowanie to prawie nie dociera do dwutlenku węgla znajdującego się w wyższych warstwach troposfery lub niższych warstwach stratosfery. Z drugiej jednak strony, CO2 emituje promieniowanie cieplne w przestrzeń kosmiczną. W stratosferze ta emisja staje się większa niż energia otrzymywana z warstw poniżej wskutek pochłaniania. W sumie CO2 z wyższych warstw troposfery i niższych warstw stratosfery traci energię oddając ją w przestrzeń kosmiczną. To powoduje ochładzanie tych obszarów atmosfery. Inne gazy cieplarniane, takie jak ozon (jak widzieliśmy wcześniej) i  chlorofluorowęglowodory (CFC), mają mniejszy wpływ, ponieważ mają mniejszą zdolność pochłaniania ciepła w troposferze. Nie blokują one całkowicie promieniowania z podłoża i mogą pochłaniać energię w stratosferze i ogrzewać ten obszar atmosfery.

stopień ochłodzenia stratosfery

3. Tempo ochładzania stratosfery.
Rycina pokazuje jak woda, CO2 i ozon przyczyniają się do ochładzania stratosfery. Kolory od niebieskiego do czerwonego, żółtego, zielonego pokazują nasilenie ochładzania, szare obszary pokazują ogrzewanie stratosfery. Tropopauza jest pokazana jako linia przerywana; poniżej niej rozciąga się troposfera, a powyżej stratosfera. Szczególnie w przypadku CO2 widać wyraźnie, że nie występuje ochładzanie w troposferze, ale silne ochładzanie ma miejsce w stratosferze. Ozon natomiast ochładza wyższe warstwy stratosfery, ale ociepla niższe warstwy stratosfery.
Źródło: Clough and Iacono, JGR, 1995; SPARC Website (zmienione)

Gdzie następuje ochładzanie?

Wpływ ubytku ozonu ma duże znaczenie zwłaszcza dla niższych warstw stratosfery, na wysokości około 20 km. Jak widać na ryc. 3 wpływ ochładzania wskutek wzrostu zawartości CO2 w powietrzu jest duży w wyższych warstwach stratosfery między 40 a 50 km. Ochładzanie nie przebiega zatem równomiernie w całej stratosferze. A zatem, obserwacje powinny być prowadzone nie tylko w niższych warstwach stratosfery jak to pokazano na ryc. 1, ale także na innych wysokościach. Ryc. 4 pokazuje przykład takich badań.

trendy ochładzania stratosfery

4. Zmiany temperatury powietrza w stratosferze na kilku wysokościach (22-50 km), w latach 1979-1996.
Źródło: Ramaswamy i in., Reviews of Geophysics, luty 2001 r.

Inne czynniki

Ocieplenie obserwowane przy powierzchni Ziemi wskutek efektu cieplarnianego może zmienić warunki ocieplania się stratosfery nad Arktyką poprzez zmianę tzw. fal planetarnych i/lub ich propagacji. Fale te są wytwarzane wskutek zróżnicowanej struktury powierzchni półkuli pn. (występowanie łańcuchów górskich jak Himalaje, rozmieszczenie mórz i lądów). Ostatnie badania dowodzą ponadto, że wzrost zawartości pary wodnej w stratosferze może wywołać silny efekt ochładzający, porównywalny do efektu wywołanego ubytkiem ozonu.

Wnioski

Stratosferyczne ochładzanie i troposferyczne ogrzewanie są za sobą ściśle powiązane, nie tylko poprzez procesy radiacyjne, ale także np. poprzez procesy tworzenia się, rozchodzenia i absorpcji fal planetarnych. Obecnie nie są jeszcze znane wszystkie przyczyny obserwowanego ochładzania w stratosferze, konieczne są dalsze badania. Niemniej jednak, ochładzanie to jest obserwowane i spodziewamy się dalszego rozwoju tego zjawiska wskutek wzrostu koncentracji CO2 w powietrzu, a spadku koncentracji ozonu. Dalsze ochładzanie stratosfery zwiększa prawdopodobieństwo tworzenia się dziury ozonowej nad Arktyką. Pamiętajmy, że emisje CO2 prowadzą nie tylko do ocieplania w troposferze, ale także do ochładzania w stratosferze.

O tej stronie:
Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent 1: Dr Wolfgang Steinbrecht - Niemiecka Służba Meteorologiczna
Recenzent 2: Dr Christoph Brühl - MPI for Chemistry, Moguncja, Niemcy 2004-05-11
Ostatnia aktualizacja: 2004-05-11
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Redakcja techniczna: Kamil Bodziony, Wojciech Pudło, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Last modified: Tuesday, 28 April 2020, 11:28 AM