en forklaring på faldet i ækvator til poltemperaturforskel (EPTD) under lige klimaer undersøger indflydelsen af polære stratosfæriske skyer (PSC ‘ er) på langbølgestråling, der forlader jorden i de høje breddegrader og som et resultat på temperaturer nær polerne. I modsætning til teorier, der forklarer måder at transportere merevarme til polerne, fokuserer dette koncept på at fange varme i højbreddegraderne.
skyer kan dannes i den polære stratosfære under polar nat. (Billede af Lamont Poole)
som udgangspunkt er en vigtig kendsgerning at bemærke, at højbreddernemodtage den mest solstråling i verden i løbet af sommeren. Denne store mængde stråling kan hæve polære temperaturer væsentligt, så en polær opvarmningsmekanisme behøver kun at øge temperaturerne om vinteren for at forklare lige klimaer. Denne kendsgerning gør PSC ‘ er til en plausibel forklaring på lige klimaer. PSC ‘ er er skyer, der dannes, når vanddamp kommer ind i stratosfæren, og når temperaturerne er kolde nok til, at vanddamp kondenserer der. Om vinteren modtager de høje breddegrader meget lidt eller ingen solstråling, så temperaturerne falder markant i denne periode, kendt som polar night. Under disse forhold kan PSC ‘ er udvikle sig. De fælder udgående langbølgestråling (OLR) og udsender noget af det tilbage mod jordens overflade, så de forhindrer atmosfærisk afkøling. PSC ‘er er i øjeblikket relativt usædvanlige; under forskellige atmosfæriske forhold, der ville gøre det muligt for mere vanddamp at komme ind i stratosfæren, kunne PSC’ er udvikle sig oftere. Denne ændring ville medføre opvarmning i højbreddegraderne, da langbølgestråling ikke ville være i stand til at undslippe Jordens atmosfære så let.
de høje lattidues modtager mest solstråling om sommeren (2006)
ideen om, at PSC ‘ er kunne have forårsaget det lige klima, dukkede op i 1992, da Sloan et al. præsenterede ideen om, at højere niveauer af metan i atmosfæren under Eocen kunne have fået frekvensen og den optiske tykkelse af PSC ‘ er til at stige væsentligt. Ifølge papiret ville denne udvikling have fået polarområderne til at varme og kunne have skabt det lige klima under Eocene og kridtet. Forfatterne baserede deres argument ud fra det faktum, at meget større mængder af vådområder, som er metankilder, eksisterede under Paleocen og Eocen end i øjeblikket. De hævder, at “området med vådområder, der er muligt i Palaeocene-Eocene, ville have været mindst 5, 6h106 km2 sammenlignet med 2h106 km2 for øjeblikket. Således ville der under Palaeocen-Eocen være potentialet til at tredoble moderne metanproduktion fra vådområdets økosystemer alene ” (Sloan et al., 1992). Mens disse tal kun er estimater, en mængde Paleocene-Eocene vådområder overalt i nærheden af denne skala kunne have haft en betydelig indvirkning på miljøet ved at producere store mængder metan. Metan iltes til dannelse af vanddamp i atmosfæren, så mængden af vanddamp, der kommer ind i stratosfæren, ville være steget, hvis mængden af metan i atmosfæren havde været større. Som et resultat af morestratosfærisk vanddamp ville PSC ‘ er have været i stand til at danne oftere og ville have været optisk tykkere. Tykkere PSC ‘er fanger mere langbølgestråling, så udviklingen af mere optisk tykkere PSC’ er ville have opvarmet de høje breddegrader uden at påvirke de lave breddegrader.
for at teste denne hypotese skabte Sloan og Pollard i 1998 et eksperiment tilundersøge PSCs indflydelse på højbreddegraderne. De udførte et modeleksperiment medto forskellige situationer. Det første scenario havde ingen PSC ‘er, mens det andet tilfælde havde PSC’ er. Ellers var løbene de samme og havde betingelser for en Eocenlignende jord, og de havde kulsyre niveauer på 560 ppm og metan niveauer på 0,700 ppm. Sloan og Pollard ordinerede PSC ‘erne, så de kun eksisterede i vinterhalvåret over 66,5 liter breddegrad, hvor temperaturerne ville være kolde nok til, at PSC’ er kunne dannes. Eksperimentet afslørede, at PSC ‘er kunne varme højbreddegraderne med op til 20 kg C mere endhvis de ikke var til stede, og at PSC’ er forhindrer havis i at udvikle sig om vinteren, så havisniveauet faldt markant i PSC-sagen (Sloan og Pollard, 1998). På trods af disse resultater producerede eksperimentet med PSC ‘ er stadig temperaturer, der var for lave sammenlignet med fuldmagtsdata fra Paleocen-Eocen.
(Sloan og Pollard, 1998)
derudover undersøgte denne undersøgelse kun PSC ‘ernes indflydelse på klimaetog undersøgte ikke virkningerne af høje drivhusgasniveauer og PSC’ er sammen. Derfor præsenterede Peters og Sloan i 2000 et andet papir, der undersøgte virkningen af store mængder drivhusgasser kombineret med PSC ‘ er. I denne undersøgelse udførte de to modeleksperimenter, ligesom Sloan og Pollard gjorde. Begge scenarier havde kulstofniveauer sat til 560 ppm, hvilket er 2 gange det førindustrielle niveau. Den første situation, ECONTROL, havde en atmosfærisk metankoncentration på 0,700 ppm, den præindustrielle mængde og havde ingen PSC ‘ er. I det andet tilfælde, der hedder PCLOUD, var metan niveauer 10 ppm, hvilket er 14 gange mængden af præindustrielle niveauer, og PSC ‘ er blev ordineret som i Sloan og Pollard-undersøgelsen. Resultaterne viste en globalt gennemsnitlig gennemsnitlig årlig temperatur (MAT)stigning på 3,4 liter C, og måtter i PCLOUD var varmere end ECONTROL med 12 liter C på den nordlige halvkugle og med 9 liter C på den sydlige halvkugle. Imidlertid, i troperne, PCLOUD-måtterne var kun varmere end ECONTROL med 2 liter C. Derudover, gennemsnitstemperaturen i den kolde måned steg med 25 liter C i den nordlige halvkugle og med 18 liter C på den sydlige halvkugle. Som et resultat viser undersøgelsen, at de kombinerede virkninger af PSC ‘ er og højere niveauer af drivhusgasser kunne hæve polartemperaturer, mens de ikke påvirker troperne væsentligt. Specifikt afslører det virkningen af mere metan og flere PSC ‘ er på klimaet og viser, at disse to faktorer kunne have forårsaget lige klimaer.
(Peters og Sloan, 2000)
selvom undersøgelsen gav resultater, der understøtter ideen om, at højere metankoncentrationer og flere PSC ‘ er kunne have forårsaget lige klimaer, er der to store problemer med denne ide. Først og fremmest i den moderne atmosfære har metan en levetid på cirka 7 år, mens eocen polar varme eksisterede i omkring 10 millioner år (Kirk-Davidoff, Schrag og Anderson, 2002). Denne kendsgerning gør det usandsynligt, at metan kunne have varet længe nok til at have forårsaget et lige klima. Selvom metans levetid steg under Eocen, er det tvivlsomt, at metanniveauerne blev opretholdt ved koncentrationer foreslået i Peters og Sloan-undersøgelsen i hele eocenens varighed. Derudover adskiller Peters og Sloan ikke virkningerne af metan fra PSCs. Det antages, at metankoncentrationer og mængden af PSC ‘er er direkte korrelerede og undersøger ikke, om der dannes flere PSC’ er på grund af methan. Derfor kan man ikke være sikker på, at den nøjagtigt skildrer atmosfærisk dynamik. I lighed med scenariet i Sloan-og Pollard-undersøgelsen er det muligt, at kun højere kulstofniveauer er nødvendige for at forårsage flere PSC ‘ er og et lige klima. Som resultat, metan er muligvis ikke så vigtig for oprettelsen af PSC ‘ er og af lige klimaer som Sloan et al. oprindeligt postuleret.
efter denne tankegang, David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag, og James G. Anderson besluttede at undersøge betydningen af kulsyre på PSC-formationog hævdede, at kun højere kulsyre niveauer er nødvendige for at forårsage lige klimaer (2002). I en forenklet form angiver de, at højere drivhusgaskoncentrationer reduceredemængden af is i højbreddegraderne, og denne ændring reducerede EPTD. Når Eptdfaldet, energi fra bølger, der forplantes i stratosfæren fra troposfæren, faldt også, så den stratosfæriske væltende cirkulation bremsede. Derfor blev dentropiske stratosfære opvarmet, mens den polære stratosfære afkølet, fordi cirkulationen ikke spredte varmen så meget. Som følge heraf kunne PSC ‘ er danne og få polerne til at varmeendnu mere.
når man dykker ned i dybden, starter teorien med tanken om, at koncentrationen af kulsyre steg under Eocen. Fordi kulsyre er en drivhusgas, højere kulsyre niveauer styrket atmosfærens evne til at traplongbølge stråling udsendes af jorden. Således kunne varmen heller ikke undslippe Jordens atmosfære, så over tid blev jorden opvarmet. Denne ændring fik is i højbreddegraderne til at smelte, så albedo i højbreddegraderne faldt. Albedoen er derfor en overflades effektivitet, og lysere farvede overflader har højere albedoer, fordi de reflekterer mere lys end mørke overflader. Således, da isen smeltede i højbreddegraderne, reflekterede havet og kontinenterne mindre lys end isen, der tidligere dækkedem gjorde. Som et resultat absorberede polarområderne mere solstråling og opvarmede derfor mere. Troperne gennemgik dog ingen større albedo-ændringer, så kunkulstofniveauer havde en indflydelse på regionen. Kun at have højere kulstofniveauerville have øget de globale temperaturer lige på alle breddegrader, men den ekstra effekt af is-albedo-feedbacken i de høje breddegrader ville have øget temperaturerne mere der. Denne kendsgerning forklarer, hvorfor højere drivhusgasniveauer kunne have forårsaget en lavere EPTD.
fordi den har en høj albedo, reflekterer is det meste af solstrålingen, der kommer ind i højbreddegraderne. (Billede af NASA)
teorien antager derefter, at faldet i Eptdforårsaget “tyngdekraftens energi og planetariske bølger, der formerer sig fra troposfæren til stratosfæren reduceres” (Kirk-Davidoff, Schrag og Anderson, 2002). Denne ide kommer fra det faktum, at storme i mellembreddegraderne dannes på grund af meridionaltemperaturgradienten, og at disse storme skaber bølger i troposfæren. Hvis temperaturgradienten faldt, ville færre storme udvikle sig, fordi atmosfæren ville være i en mere stabil tilstand, og som et resultat ville færre, mindre intense bølger dannes. Derfor ville en lavere EPTD have forårsaget en reduktion i mængden af energi, der kommer ind i stratosfæren. Dette koncept er ikke langt ude som nogle undersøgelser (Lindsen og Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; og Fusco og Salby, 1999) støtter tanken om, at under en nedsat EPTD falder atmosfærisk bølgeaktivitet og formering. Hvis man antager, at en mindre EPTD har denne effekt, ville dette fald i bølgeenergi have mindsket det momentum, der blev overført til stratosfæren af disse bølger.
denne reduktion i momentum ville have ændret hastigheden af stratosfærisk væltning, fordi dette momentum driver brygger-Dobson-cirkulationen, den væltende cirkulation i stratosfæren. Brygger-Dobson-cirkulationen er kendetegnet ved, at varm luft stiger i de lave breddegrader og kold luft synker i de høje breddegrader. Fordi momentumet fra planetariske og tyngdekraftsbølger driver cirkulationen, hvis det momentum, der blev overført til stratosfæren, var faldet, ville cirkulationen være bremset. Derfor ville de lave breddegrader være blevet varmere, mens de høje breddegrader ville være afkølet.
generelt er toppen af troposfæren for kold til at tillade vanddamp at komme ind i stratosfæren. Skyer stiger typisk i troposfæren på grund af konvektion, men på et bestemt tidspunkt bliver atmosfæren for kold til, at skyerne stiger længere, fordi al vanddampen i dem udfældes. Dette punkt forekommer normalt ved toppen af troposfæren, så meget lidt vanddamp kommer ind i stratosfæren. Imidlertid, hvis væltningcirkulationen blev langsommere, og hvis stratosfæren med lav breddegrad blev opvarmet til tropopausen, toppen af troposfæren kunne have varmet nok til at lade mængden af vanddampning af stratosfæren være steget. Denne vanddamp ville så have værettransporteret til de høje breddegrader, og PSC ‘ er ville have været i stand til at danne hyppigere og ville have været optisk tykkere.
efterhånden som PSC ‘ er udviklede sig under disse forhold, ville vinduet, gennem hvilket langbølgestråling kunne være undsluppet fra atmosfæren, være faldet, og atmosfæren med høj breddegrad ville have varmet op. Ifølge Kirk-Davidoff, Schrag, andAnderson, opvarmningen på grund af PSC ‘er i deres models Eocene-forhold er 15 m/m2 i polerne, og opvarmning i polarområderne på grund af PSC’ er er 7 K. Disse resultater afslører, at PSC ‘ er kunne have haft en betydelig indflydelse på temperaturer med høj breddegrad. Som et resultat giver teorien en rimelig forklaring på, hvorfor polerneville have varmet under det lige klima.
