Eine Erklärung für die Abnahme der Temperaturdifferenz von Äquator zu Pol (EPTD) in Äquatorklimata untersucht den Einfluss polar stratosphärischer Wolken (PSCs) auf die langwellige Strahlung, die die Erde in den hohen Breiten verlässt, und damit auf die Temperaturen in der Nähe der Pole. Im Gegensatz zu Theorien, die erklären, wie man mehr transportiertwärme zu den Polen konzentriert sich dieses Konzept auf das Einfangen von Wärme in den hohen Breiten.
Wolken können sich in der Polarnacht in der polaren Stratosphäre bilden. (Bild von Lamont Poole)
Als Ausgangspunkt ist eine wichtige Tatsache zu beachten, dass die hohen Breiten im Sommer die meiste Sonnenstrahlung der Welt empfangen. Diese große Menge an Strahlung kann die polaren Temperaturen erheblich erhöhen, so dass ein polarer Erwärmungsmechanismus nur die Temperaturen im Winter erhöhen muss, um ein gleichmäßiges Klima zu erklären. Diese Tatsache macht PSCs zu einer plausiblen Erklärung für ausgeglichenes Klima. PSCs sind Wolken, die sich bilden, wenn Wasserdampf in die Stratosphäre eintritt und die Temperaturen kalt genug sind, damit Wasserdampf dort kondensieren kann. Im Winter erhalten die hohen Breiten sehr wenig bis gar keine Sonnenstrahlung,so dass die Temperaturen in dieser Zeit, der sogenannten Polarnacht, deutlich sinken. Unter diesen Bedingungen kann sich PSCs entwickeln. Sie fangen ausgehende langwellige Strahlung (OLR) ein und emittieren einen Teil davon zurück zur Erdoberfläche, so dass sie die atmosphärische Abkühlung behindern. PSCs sind derzeit relativ selten; Unter anderen atmosphärischen Bedingungen, die es ermöglichen würden, dass mehr Wasserdampf in die Stratosphäre gelangt, könnten sich PSCs jedoch häufiger entwickeln. Diese Änderung würde eine Erwärmung in den hohen Breiten verursachen, da langwellige Strahlung nicht so leicht der Erdatmosphäre entkommen könnte.
Die High-Lattidues erhalten im Sommer die meiste Sonnenstrahlung (Pidwirny, 2006)
Die Idee, dass PSCs die gleichmäßigen Klimazonen verursacht haben könnten, erschien 1992, als Sloan et al. präsentierte die Idee, dass höhere Methanwerte in der Atmosphäre während des Eozäns dazu geführt haben könnten, dass die Frequenz und die optische Dicke von PSCs erheblich zugenommen haben. Dem Papier zufolge hätte diese Entwicklung die Erwärmung der Polarregionen verursacht und das gleichmäßige Klima während des Eozäns und der Kreidezeit geschaffen. Die Autoren stützten ihre Argumentation auf die Tatsache, dass während des Paläozäns und des Eozäns viel größere Mengen von Feuchtgebieten, die Methanquellen sind, existierten als derzeit. Sie behaupten, dass die „mögliche Fläche von Feuchtgebieten im Paläozän-Eozän mindestens 5,6×106 km2 betragen hätte, verglichen mit 2×106 km2 für die Gegenwart. So gäbe es während des Paläozäns-Eozäns das Potenzial, die moderne Methanproduktion allein aus Feuchtgebietsökosystemen zu verdreifachen “ (Sloan et al., 1992). Während diese Zahlen nur Schätzungen sind, Eine Menge Paläozän-Eozän-Feuchtgebiete in der Nähe dieser Größenordnung hätte erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben können, indem große Mengen Methan produziert wurden. Methan oxidiert zu Wasserdampf in der Atmosphäre, so dass die Menge an Wasserdampf, die in die Stratosphäre eintritt, erhöht wäre, wenn die Menge an Methan in der Atmosphäre größer gewesen wäre. Infolge von mehrstratosphärischem Wasserdampf hätten sich PSCs häufiger bilden können und wären optisch dicker gewesen. Dickere PSCs fangen mehr langwellige Strahlung ein, so dass die Entwicklung von mehr, optisch dickeren PSCs die hohen Breiten erwärmt hätte, ohne die niedrigen Breiten zu beeinflussen.
Um diese Hypothese zu testen, schufen Sloan und Pollard 1998 ein Experiment, um den Einfluss von PSCs auf die hohen Breiten zu untersuchen. Sie führten ein Modellexperiment mitzwei verschiedene Situationen. Das erste Szenario hatte keine PSCs, während der zweite Fall PSCs hatte. Ansonsten waren die Läufe die gleichen und hatten Bedingungen für eine eozänähnliche Erde, und sie hatten Kohlendioxidgehalte von 560 ppm und Methangehalte von 0,700 ppm. Sloan und Pollard verordneten die PSCs so, dass sie nur in der Winterhälfte des Jahres über 66,5 ° Breite existierten, wo die Temperaturen kalt genug waren, um PSCs zu bilden. Das Experiment zeigte, dass PSCs die hohen Breiten um bis zu 20 ° C mehr erwärmen könnten, als wenn sie nicht vorhanden wären, und dass PSCs die Entwicklung von Meereis im Winter verhindern, so dass die Meereispegel im PSC-Fall signifikant abnahmen (Sloan und Pollard, 1998). Trotz dieser Ergebnisse, Das Experiment mit PSCs erzeugte immer noch Temperaturen, die im Vergleich zu Proxy-Daten aus dem Paläozän-Eozän zu niedrig waren.
( Sloan und Pollard, 1998)
Darüber hinaus untersuchte diese Studie nur den Einfluss von PSCs auf das Klimaund untersuchte nicht die Auswirkungen von hohen Treibhausgaswerten und PSCs zusammen. Daher stellten Peters und Sloan im Jahr 2000 ein weiteres Papier vor, das die Auswirkungen großer Mengen von Treibhausgasen in Kombination mit PSCs untersuchte. In dieser Studie führten sie zwei Modellexperimente durch, genau wie Sloan und Pollard. In beiden Szenarien wurde der Kohlendioxidgehalt auf 560 ppm festgelegt, was dem 2-fachen des vorindustriellen Niveaus entspricht. Die erste Situation, ECONTROL, hatte eine atmosphärische Methankonzentration von 0,700 ppm, die vorindustrielle Menge, und hatte keine PSCs. Im zweiten Fall mit dem Namen PCLOUD betrugen die Methangehalte 10 ppm, was dem 14-fachen der vorindustriellen Werte entspricht, und PSCs wurden wie in der Sloan- und Pollard-Studie verschrieben. Die Ergebnisse zeigten einen global gemittelten Anstieg der mittleren Jahrestemperatur (MAT) um 3,4 ° C, und MATs in PCLOUD waren in der nördlichen Hemisphäre um 12 ° C und in der südlichen Hemisphäre um 9 ° C wärmer als ECONTROL. In den Tropen war die Temperatur von PCLOUD jedoch nur um 2 ° C wärmer als die von ECONTROL. Zusätzlich stieg die Durchschnittstemperatur des kalten Monats in der nördlichen Hemisphäre um 25 ° C und in der südlichen Hemisphäre um 18 ° C. Infolgedessen zeigt die Studie, dass die kombinierten Auswirkungen von PSCs und höheren Treibhausgaswerten die Polartemperatur erhöhen könnten, ohne die Tropen wesentlich zu beeinträchtigen. Insbesondere zeigt es die Auswirkungen von mehr Methan und mehr PSCs auf das Klima und zeigt, dass diese beiden Faktoren ein ausgeglichenes Klima verursacht haben könnten.
( Peters und Sloan, 2000)
Obwohl die Studie Ergebnisse lieferte, die die Idee stützen, dass höhere Methankonzentrationen und mehr PSCs ein ausgeglichenes Klima verursacht haben könnten, gibt es zwei Hauptprobleme mit dieser Idee. Erstens hat Methan in der modernen Atmosphäre eine Lebensdauer von etwa 7 Jahren, während die eozäne Polarwärme etwa 10 Millionen Jahre lang bestand (Kirk-Davidoff, Schrag und Anderson, 2002). Diese Tatsache macht es unwahrscheinlich, dass Methan lange genug bestehen geblieben sein könnte, um ein ausgeglichenes Klima zu verursachen. Selbst wenn die Lebensdauer von Methan während des Eozäns zunahm, ist es zweifelhaft, dass die Methangehalte während der gesamten Dauer des Eozäns bei den in der Peters- und Sloan-Studie vorgeschlagenen Konzentrationen gehalten wurden. Darüber hinaus trennen Peters und Sloan die Auswirkungen von Methan nicht von denen von PSCs. Es wird davon ausgegangen, dass Methankonzentrationen und die Menge an PSCs direkt korrelieren, und nicht untersucht, ob sich aufgrund von Methan mehr PSCs bilden. Daher kann man nicht sicher sein, ob es die atmosphärische Dynamik genau wiedergibt. Ähnlich dem Szenario in der Sloan- und Pollard-Studie ist es möglich, dass nur höhere Kohlendioxidwerte erforderlich sindum mehr PSCs und ein ausgeglichenes Klima zu verursachen. Als Ergebnis, Methan ist möglicherweise nicht so wichtig für die Schaffung von PSCs und ausgeglichenen Klimazonen wie Sloan et al. ursprünglich postuliert.
Diesem Gedankengang folgend haben David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag und James G. Anderson beschloss, die Bedeutung von Kohlendioxid für die PSC-Bildung zu untersuchen, und argumentierte, dass nur höhere Kohlendioxidwerte erforderlich sind, um ein ausgeglichenes Klima zu erreichen (2002). In vereinfachter Form geben sie an, dass höhere Treibhausgaskonzentrationen reduziertendie Eismenge in den hohen Breiten, und diese Änderung reduzierte die EPTD. Wenn die EPTDABNAHM, nahm auch die Energie von Wellen ab, die sich von der Troposphäre in die Stratosphäre ausbreiteten, so dass sich die stratosphärische Umwälzzirkulation verlangsamte. Daher erwärmte sich die tropische Stratosphäre, während sich die polare Stratosphäre abkühlte, da die Zirkulation die Wärme nicht so stark verteilte. Infolgedessen konnten sich PSCs bilden und die Pole noch mehr erwärmen.
Wenn man tiefer eintaucht, beginnt die Theorie mit der Idee, dass die Konzentration von Kohlendioxid während des Eozäns zugenommen hat. Da Kohlendioxid ein Treibhausgas ist, verstärkten höhere Kohlendioxidwerte die Fähigkeit der Atmosphäre, langwellige Strahlung, die von der Erde emittiert wird, einzufangen. So konnte Wärme auch der Erdatmosphäre nicht entweichen, so dass sich die Erde im Laufe der Zeit erwärmte. Diese Änderung führte dazu, dass Eis in den hohen Breiten schmolz, so dass die Albedo in den hohen Breiten abnahm. Die Albedo ist die Reflektivität einer Oberfläche, und hellere farbige Oberflächen haben höhere Albedos, weil sie mehr Licht reflektieren als dunkle Oberflächen. Wenn also das Eis in den hohen Breiten schmolz, reflektierten der Ozean und die Kontinente weniger Licht als das Eis, das zuvor bedeckt warSie taten es. Infolgedessen absorbierten die Polarregionen mehr Sonnenstrahlung und erwärmten sich folglich mehr. Die Tropen haben jedoch keine größeren Albedoveränderungen erfahren, so dass sich nur der Kohlendioxidgehalt auf die Region ausgewirkt hat. Nur ein höherer Kohlendioxidgehalt hätte die globalen Temperaturen in allen Breiten gleichermaßen erhöht, aber der zusätzliche Effekt der Eis-Albedo-Rückkopplung in den hohen Breiten hätte die Temperaturen dort stärker erhöht. Diese Tatsache erklärt, warum höhere Treibhausgaswerte eine niedrigere EPTD verursacht haben könnten.
Da es eine hohe Albedo hat, reflektiert Eis den größten Teil der Sonnenstrahlung, die in die hohen Breiten kommt. (Bild von NASA)
Die Theorie geht dann davon aus, dass die Abnahme der EPTD „die Energie der Schwerkraft und der planetaren Wellen, die sich von der Troposphäre in die Stratosphäre ausbreiten, reduziert“ (Kirk-Davidoff, Schrag und Anderson, 2002). Diese Idee ergibt sich aus der Tatsache, dass sich Stürme in den mittleren Breiten aufgrund des Meridiontemperaturgradienten bilden und dass diese Stürme Wellen in der Troposphäre erzeugen. Wenn der Temperaturgradient abnimmt, würden sich weniger Stürme entwickeln, weil sich die Atmosphäre in einem stabileren Zustand befindet, und infolgedessen würden sich weniger, weniger intensive Wellen bilden. Daher hätte eine niedrigere EPTD zu einer Verringerung der in die Stratosphäre eintretenden Energiemenge geführt. Dieses Konzept ist nicht weit hergeholt wie einige Studien (Lindzen und Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; und Fusco und Salby, 1999) unterstützen die Idee, dass mit einer verringerten EPTD die Aktivität und Ausbreitung atmosphärischer Wellen abnimmt. Unter der Annahme, dass eine kleinere EPTD diesen Effekt hat, hätte dieser Abfall der Wellenenergie den von diesen Wellen auf die Stratosphäre übertragenen Impuls verringert.
Diese Verringerung des Impulses hätte die Geschwindigkeit des stratosphärischen Umkippens verändert, da dieser Impuls die Brewer-Dobson-Zirkulation, die Umkippzirkulation in der Stratosphäre, antreibt. Die Brewer-Dobson-Zirkulation ist gekennzeichnet durch warme Luft, die in den niedrigen Breiten aufsteigt, und kalte Luft, die in den hohen Breiten absinkt. Da der Impuls von Planeten- und Gravitationswellen die Zirkulation antreibt, hätte sich die Zirkulation verlangsamt, wenn der auf die Stratosphäre übertragene Impuls abgenommen hätte. Daher wären die niedrigen Breiten heißer geworden, während die hohen Breiten abgekühlt wären.
Im Allgemeinen ist die Spitze der Troposphäre zu kalt, um Wasserdampf in die Stratosphäre eindringen zu lassen. Wolken steigen typischerweise in der Troposphäre aufgrund von Konvektion auf, aber an einem bestimmten Punkt wird die Atmosphäre zu kalt, als dass die Wolken mehr aufsteigen könnten, da der gesamte Wasserdampf in ihnen ausfällt. Dieser Punkt tritt normalerweise an der Spitze der Troposphäre auf, so dass sehr wenig Wasserdampf in die Stratosphäre gelangt. Wenn sich jedoch die Umwälzzirkulation verlangsamte und sich die Stratosphäre niedriger Breitengrade bis zur Tropopause erwärmte, hätte sich die Spitze der Troposphäre ausreichend erwärmen können, damit die Menge an Wasserdampf, die in die Stratosphäre eindringt, zugenommen hätte. Dieser Wasserdampf wäre dann in die hohen Breiten transportiert worden, und PSCs hätten sich häufiger bilden können und wären optisch dicker gewesen.
Als sich PSCs unter diesen Bedingungen entwickelten, hätte sich das Fenster, durch das langwellige Strahlung aus der Atmosphäre hätte entweichen können, verringert und die Atmosphäre in hohen Breiten hätte sich erwärmt. Laut Kirk-Davidoff, Schrag und Peterson beträgt die Erwärmung durch PSCs im eozänen Fall ihres Modells 15 W / m2 in den Polen und die Erwärmung in den Polarregionen aufgrund von PSCs 7 K.Diese Ergebnisse zeigen, dass PSCs einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturen in hohen Breiten gehabt haben könnten. Infolgedessen liefert die Theorie eine vernünftige Erklärung dafür, warum sich die Pole während des gleichmäßigen Klimas erwärmt hätten.
