سطح زمین و بخشهای پایینی جو در حال گرمتر شدن هستند، اما فرسخها بالاتر از این سیاره، تغییر شگرف دیگری در جهت عکس در حال رخ دادن است. لایه بالایی جو زمین چندین دهه است که به طور مداوم در حال سرد شدن بوده و یکی از بارزترین نشانههای تغییرات اقلیمی ناشی از فعالیتهای انسان را به وجود آورده است. دانشمندان میدانستند که این اتفاق در حال رخ دادن است، اما جزئیات فیزیکی پشت این پدیده تا پیش از این مبهم باقی مانده بود.
اکنون، پژوهشگران دانشگاه کلمبیا میگویند مکانیسم مسئول این پدیده را شناسایی کردهاند. مطالعه جدید آنها نشان میدهد که این روند سرمایشی به شدت با نحوه تعامل دیاکسید کربن (CO2 ) با طول موجهای مختلف نور در لایههای بالایی جو مرتبط است.
رابرت پینکوس، استاد پژوهش فیزیک اقیانوس و اقلیم در رصدخانه زمین لامونت-دوهرتی (که بخشی از مدرسه اقلیم کلمبیا است) و از نویسندگان این مطالعه که در نشریه Nature Geoscience منتشر شده، میگوید:
این دستاورد، پدیدهای را توضیح میدهد که ردپای تغییرات اقلیمی است، چندین دهه است وقوع آن اثبات شده، اما دلیلش درک نشده بود.
چرا دیاکسید کربن زمین را گرم، اما استراتوسفر را سرد میکند؟
در نزدیکی سطح زمین، دیاکسید کربن گرمایی را که در غیر این صورت به فضا فرار میکرد، به دام میاندازد و به گرمایش جهانی دامن میزند. اما شرایط در ارتفاعات بالاتر جو به طرز چشمگیری تغییر میکند.
در استراتوسفر (لایهای که تقریباً از فاصله ۱۱ کیلومتری تا ۵۰ کیلومتری بالای سطح زمین امتداد دارد)، دیاکسید کربن کمتر شبیه به یک پتو و بیشتر شبیه به یک سیستم سرمایشی عمل میکند. مولکولهای این گاز، انرژی فروسرخی را که از پایین به سمت بالا میآید جذب کرده و سپس بخشی از آن انرژی را به فضا میفرستند. با افزایش غلظت دیاکسید کربن، توانایی استراتوسفر در دفع گرما حتی بیشتر هم میشود و در نتیجه، دمای این لایه افت میکند.
دانشمندان نخستین بار در دهه ۱۹۶۰ این اثر را از طریق مدلهای اقلیمی پیشگامانهای که توسط اقلیمشناس، سیوکورو مانابه (که کارش بعدها جایزه نوبل را از آن خود کرد) توسعه یافته بود، پیشبینی کردند. از اواسط دهه ۱۹۸۰، استراتوسفر حدود ۲ درجه سانتیگراد سردتر شده است. پژوهشگران تخمین میزنند که این سرمایش، بیش از ۱۰ برابر بیشتر از مقداری است که بدون انتشار دیاکسید کربن ناشی از فعالیتهای انسانی رخ میداد.
با این وجود، بسیاری از جزئیات این فرآیند هنوز حلنشده باقی مانده بود.
شان کوهن، پژوهشگر پستدکترا در رصدخانه زمین لامونت-دوهرتی و نویسنده اصلی این مطالعه میگوید:
تئوری موجود بسیار هوشمندانه و بینشبخش بود، اما تا این لحظه، ما فاقد یک تئوری کمی و دقیق برای سرمایش استراتوسفر ناشی از دیاکسید کربن بودیم.
«منطقه گلدیناکس» در طیف فروسرخ
کوهن برای درک بهتر این پدیده، در کنار پینکوس و لورنزو پولوانی (ژئوفیزیکدان دپارتمان فیزیک کاربردی و ریاضیات کاربردی دانشکده مهندسی کلمبیا) مشغول به کار شد. این تیم به طور مکرر مدلهای ریاضی شبیهسازیکننده فرآیندهای دخیل در سرمایش استراتوسفر را بهینهسازی کردند. آنها محاسبات خود را با شبیهسازیهای اقلیمی پیشرفته و مشاهدات دنیای واقعی مقایسه کردند و معادلات را چندین ماه تغییر دادند تا اینکه نتایج با هم همخوانی پیدا کردند.
پژوهشگران دریافتند که یک عامل بیش از بقیه متمایز است: نحوه تعامل دیاکسید کربن با نور فروسرخ (که به عنوان تابش طولموجبلند نیز شناخته میشود).
طول موجهای مختلف فروسرخ رفتار متفاوتی در جو دارند. برخی از آنها در ایجاد سرمایش بسیار مؤثرتر از بقیه هستند. این تیم محدوده خاصی از طول موجها را شناسایی کردند که کارایی فوقالعادهای داشت و آن را «منطقه گلدیناکس» (منطقه طلایی یا ایدهآل) نامیدند. با ادامه افزایش سطح دیاکسید کربن جو، این منطقه گسترش مییابد.
کوهن میگوید:
همین تغییرات در کارایی طولموجهاست که در نهایت عامل اصلی سرمایش استراتوسفر خواهد بود.
این مطالعه همچنین میزان تأثیر گاز ازون و بخار آب را اندازهگیری کرد. هر دوی این گازها نقش مشابهی دارند؛ یعنی گرما را در لایههای پایینی جو حبس میکنند، در حالیکه در لایههای بالاتر از طریق تابش گرمایی به سرمایش کمک میکنند. با این حال، پژوهشگران دریافتند که تأثیر کلی آنها بر سرمایش استراتوسفر در مقایسه با دیاکسید کربن ناچیز است.
چگونه سرمایش لایه بالایی جو، گرمایش زمین در پایین را تشدید میکند؟
معادلات این تیم با موفقیت چندین الگوی جوی را که مدتها مشاهده شده بود، بازسازی کردند. مدلها نشان دادند که سرمایش با افزایش ارتفاع قویتر میشود؛ بهطوری که ضعیفترین سرمایش در بخشهای پایینی استراتوسفر و قویترین آن در نزدیکی مرز بالایی آن رخ میدهد. آنها همچنین تایید کردند که با هر بار دو برابر شدن میزان دیاکسید کربن، حدود ۸ درجه سانتیگراد سرمایش در «استراتوپاز» (مرز بالایی استراتوسفر) ایجاد میشود.
این یافتهها همچنین یک اثر بازخورد اقلیمی را آشکار میکنند. افزایش دیاکسید کربن به استراتوسفر کمک میکند تا گرما را با کارایی بیشتری بتاباند که این امر آن منطقه را سرد میکند. اما با سرد شدن استراتوسفر، کل سیستم زمین در مجموع انرژی فروسرخ کمتری را به فضا میفرستد و این یعنی گرمای بیشتری در نزدیکی سطح زمین محبوس میماند.
کوهن میگوید:
این فرآیندی است که ما بیش از ۵۰ سال از آن آگاه بودهایم و درک کیفی نسبتاً خوبی از نحوه عملکرد آن داشتیم. با این حال، جزئیات اینکه چه چیزی به طور مکانیکی و ساختاری باعث این فرآیند میشد را نمیدانستیم.
به گفته کوهن و پینکوس، هدف این مطالعه اثبات وجود گرمایش جهانی نیست، بلکه درک روشنتری از یکی از مهمترین فرآیندهای جوی تغییرات اقلیمی ارائه میدهد.
پینکوس میگوید: «
این پژوهش واقعاً به ما میگوید چه چیزی (در این فرآیند) حیاتی و اساسی است.
این تحقیق همچنین میتواند به دانشمندانی که در حال مطالعه جوّ سیارات فراتر از زمین هستند (از جمله سیارات دیگر منظومه شمسی و سیارات فراخورشیدی دوردست) کمک کند.
کوهن میگوید:
شاید (با این دستاورد) بتوانیم آنچه را که در استراتوسفر سیارات دیگر منظومه شمسی یا سیارات فراخورشیدی میگذرد، بهتر درک کنیم.
منبع: Scitechdaily
