yksi selitys päiväntasaajan ja napojen välisen lämpötilaeron (EPTD) pienenemiselle tasaisessa ilmastossa tarkastelee polaaristen stratosfääripilvien (PSCs) vaikutusta korkeilla leveysasteilla maasta lähtevään pitkäaaltoiseen säteilyyn ja sen seurauksena napojen lähellä oleviin lämpötiloihin. Toisin kuin teorioita, jotka selittävät tapoja kuljettaa lisää lämpöä napoihin, tämä käsite keskittyy lämmön vangitsemiseen korkeilla leveysasteilla.
pilvet voivat muodostua polaarisessa stratosfäärissä kaamosaikana. (Lamont Poolen kuva)
lähtökohtana on tärkeää huomata, että korkeapatitudit saavat kesän aikana eniten auringon säteilyä maailmassa. Näin suuri säteilymäärä voi nostaa polaarisia lämpötiloja huomattavasti,joten polaarisen lämpenemismekanismin tarvitsee vain nostaa lämpötiloja talvella selittääkseen tasaiset ilmastot. Tämä seikka tekee PSCs: stä uskottavan selityksen yhtäläisille ilmastoille. PSC: t ovat pilviä, joita muodostuu vesihöyryn saapuessa stratosfääriin ja lämpötilan ollessa tarpeeksi kylmä vesihöyryn tiivistyessä siellä. Talvella korkeat leveysasteet saavat hyvin vähän tai ei lainkaan auringon säteilyä,joten lämpötilat laskevat merkittävästi tänä aikana, joka tunnetaan nimellä kaamos. Näissä olosuhteissa PSCs voi kehittyä. Ne pyydystävät lähtevää pitkäaaltoista säteilyä (OLR) ja päästävät siitä osan takaisin kohti maan pintaa, joten ne haittaavat ilmakehän jäähtymistä. PSC: t ovat tällä hetkellä melko harvinaisia; kuitenkin erilaisissa ilmakehän olosuhteissa, jotka mahdollistaisivat suuremman vesihöyryn pääsyn stratosfääriin, PSC: t voisivat kehittyä useammin. Muutos aiheuttaisi lämpenemistä korkeilla leveysasteilla, sillä pitkäaaltoinen säteily ei pääsisi yhtä helposti karkaamaan Maan ilmakehästä.
korkealattidueet saavat eniten auringon säteilyä kesällä (Pidwirny, 2006)
ajatus siitä, että PSCs olisi voinut aiheuttaa tasaista ilmastoa, ilmestyi vuonna 1992, kun Sloan et al. esitti ajatuksen, että korkeampi metaanipitoisuus ilmakehässä eoseenin aikana olisi voinut aiheuttaa PSC: n taajuuden ja optisen paksuuden kasvamisen merkittävästi. Lehden mukaan tämä kehitys olisi saanut napaseudut lämpenemään ja voinut luoda eoseenilla ja liitukaudella tasaisen ilmaston. Kirjoittajat perustelivat väitettään sillä, että paleoseenilla ja Eoseenilla oli paljon suurempia kosteikkoja, jotka ovat metaanin lähteitä kuin nykyään. He väittävät, että ” paleoseenilla-Eoseenilla mahdollisten kosteikkojen pinta-ala olisi ollut vähintään 5,6×106 km2, kun se tällä hetkellä olisi ollut 2×106 km2. Näin ollen paleoseenin ja Eoseenin aikana olisi mahdollista kolminkertaistaa nykyinen metaanintuotanto pelkästään kosteikkoekosysteemeistä” (Sloan et al., 1992). Vaikka nämä luvut ovat vain arvioita, lähelläkään tämän mittakaavan paleoseenin ja Eoseenin kosteikkojen määrä on voinut vaikuttaa merkittävästi ympäristöön tuottamalla suuria määriä metaania. Metaani hapettuu muodostaen ilmakehässä watervaporin, joten stratosfääriin tulevan vesihöyryn määrä olisi kasvanut, jos metaanin määrä ilmakehässä olisi ollut suurempi. Enemmän stratosfäärisen vesihöyryn seurauksena PSC: t olisivat voineet muodostua tiheämmin ja ne olisivat olleet optisesti paksumpia. Paksummat PSC: t vangitsevat enemmän pitkäaaltoista säteilyä, joten optisesti paksumpien PSC: iden kehittyminen olisi lämmittänyt korkeilla leveysasteilla vaikuttamatta kuitenkaan matalilla leveysasteilla.
tämän hypoteesin testaamiseksi Sloan ja Pollard loivat vuonna 1998 kokeen, jossa tutkittiin PSCs: n vaikutusta korkeilla leveysasteilla. He tekivät mallikokeilun kahdessa eri tilanteessa. Ensimmäisessä skenaariossa ei ollut PSCs: ää, kun taas toisessa tapauksessa PSCs: ää. Muuten juoksut olivat samat ja niissä oli eoseenin kaltaiselle maalle asetetut olosuhteet, ja niiden hiilidioksidipitoisuus oli 560 ppm ja metaanipitoisuus 0,700 ppm. Sloan ja Pollard määräsivät PSC: t niin, että ne olivat olemassa vain talvipuoliskolla vuodesta yli 66,5° leveysasteen, jolloin lämpötilat olisivat tarpeeksi kylmiä PSC: iden muodostumiselle. Koe paljasti, että PSC: t voisivat lämmittää korkeilla leveysasteilla jopa 20°c enemmän kuin jos niitä ei olisi ja että PSC: t estävät merijään kehittymisen talven aikana, joten merijään määrä laski merkittävästi PSC: n tapauksessa (Sloan and Pollard, 1998). Näistä tuloksista huolimatta PSCs: llä tehty koe tuotti edelleen liian alhaisia lämpötiloja verrattuna paleoseenin ja Eoseenin välisiin proxy-tietoihin.
(Sloan and Pollard, 1998)
lisäksi tässä tutkimuksessa selvitettiin vain PSC: n vaikutusta ilmastoon, eikä siinä tutkittu korkean kasvihuonekaasupitoisuuden ja PSC: n vaikutuksia yhdessä. Siksi Peters ja Sloan esittivät vuonna 2000 toisen tutkimuksen, jossa tutkittiin suurten Kasvihuonekaasumäärien ja PSC-yhdisteiden vaikutusta. Tässä tutkimuksessa he tekivät kaksi mallikoetta, kuten Sloan ja Pollard tekivät. Molemmissa skenaarioissa hiilidioksidipitoisuus oli asetettu 560 ppm: ään, mikä on kaksi kertaa esiteollista tasoa korkeampi. Ensimmäisessä tilanteessa, ECONTROLISSA, ilmakehän metaanipitoisuus oli 0,700 ppm eli esiteollinen määrä, eikä sillä ollut lainkaan PSC: tä. Toisessa pCloud-nimisessä tapauksessa metaanitasot olivat 10 ppm, mikä on 14 kertaa esiteollista tasoa suurempi, ja PSC-pitoisuuksia määrättiin kuten Sloanin ja Pollardin tutkimuksessa. Tulokset osoittivat, että maailmanlaajuisesti mitattu keskimääräinen vuotuinen lämpötila (MAT)nousi 3,4°c, ja Pcloudissa olevat matot olivat econtrolia lämpimämpiä 12°c pohjoisella pallonpuoliskolla ja 9°c eteläisellä pallonpuoliskolla. Tropiikissa PCLOUDIN matot olivat kuitenkin econtrolia lämpimämpiä vain 2°C. Lisäksi kylmän kuukauden keskilämpötila nousi pohjoisella pallonpuoliskolla 25°C ja eteläisellä pallonpuoliskolla 18°C. Tämän vuoksi tutkimus osoittaa, että PSC-yhdisteiden ja kasvihuonekaasujen korkeampien pitoisuuksien yhteisvaikutukset voivat nostaa polartementtiluonnetta vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi tropiikkiin. Se paljastaa erityisesti metaanin ja PSC-yhdisteiden lisääntymisen vaikutuksen ilmastoon ja osoittaa, että nämä kaksi tekijää ovat voineet aiheuttaa yhtäläisen ilmaston.
(Peters ja Sloan, 2000)
vaikka tutkimus tuotti tuloksia, jotka tukivat ajatusta siitä, että korkeammat metaanipitoisuudet ja useammat PSC-pitoisuudet olisivat voineet aiheuttaa yhtäläisiä ilmastoja, tähän ajatukseen liittyy kaksi suurta ongelmaa. Ensinnäkin nykyisessä ilmakehässä metaanin elinikä on noin 7 vuotta, kun taas eoseenin polaarilämpö oli olemassa noin 10 miljoonaa vuotta (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Tämän vuoksi näyttää epätodennäköiseltä, että metaani olisi voinut säilyä riittävän kauan, jotta ilmasto olisi ollut tasapuolinen. Vaikka metaanin elinikä pitenikin Eoseenin aikana, on kyseenalaista, että metaanipitoisuudet säilyivät Petersin ja Sloanin tutkimuksessa esitetyillä pitoisuuksilla koko eoseenin ajan. Lisäksi Peters ja Sloan eivät erottele metaanin vaikutuksia PSC: n vaikutuksiin. Siinä oletetaan, että metaanipitoisuudet ja PSC-pitoisuudet korreloivat suoraan keskenään, eikä siinä tutkita, muodostuuko metaanin vuoksi enemmän PSC-pitoisuuksia. Siksi ei voida olla varmoja, että se kuvaa tarkasti ilmakehän dynamiikkaa. Kuten Sloanin ja Pollardin tutkimuksessa, on mahdollista, että vain korkeammat hiilidioksiditasot ovat tarpeen, jotta saadaan aikaan enemmän PSC: tä ja tasapuolinen ilmasto. Tämän seurauksena metaani ei ehkä ole yhtä tärkeä PSCs: n ja yhtäläisten ilmastojen luomisessa kuin Sloan et al. alun perin oletettiin.
tätä ajatusketjua seuraavat David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag ja James G. Anderson päätti tutkia hiilidioksidin merkitystä PSC: n muodostumisessa ja väitti, että vain korkeammat hiilidioksidipitoisuudet ovat välttämättömiä tasaisten ilmastojen aiheuttamiseksi (2002). Yksinkertaistetussa muodossa he toteavat, että korkeammat kasvihuonekaasupitoisuudet vähensivät jään määrää korkeilla leveysasteilla, ja tämä muutos vähensi EPTD: tä. Eptdd: n laskiessa myös troposfääristä stratosfääriin etenevien aaltojen energia väheni, joten stratosfäärin kiertokulku hidastui. Siksi stratosfääri lämpeni samalla kun polaarinen stratosfääri jäähtyi, koska kierto ei hajottanut lämpöä yhtä paljon. Tämän seurauksena PSC: t saattoivat muodostua ja saivat tolpat lämpenemään jopa enemmän.
sukeltaessa syvemmälle teoria lähtee ajatuksesta, että hiilidioksidin pitoisuus kasvoi Eoseenilla. Koska hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, korkeammat hiilidioksidipitoisuudet vahvistivat ilmakehän kykyä traplongwave-säteilyyn, jota Maapallo lähettää. Näin lämpö ei voinut paeta myöskään maan ilmakehästä,joten ajan myötä maa lämpeni. Tämä muutos sai jään sulamaan korkeilla leveysasteilla, joten Albedo korkeilla leveysasteilla pieneni. Albedo on pinnan flektiivisyys, ja vaaleammilla pinnoilla on korkeammat albedot, koska ne heijastavat enemmän valoa kuin tummat pinnat. Niinpä kun jää suli korkeilla leveysasteilla, meri ja mantereet heijastuivat vähemmän valoa kuin niitä aiemmin peittänyt jää. Tämän seurauksena napa-alueet absorboivat enemmän auringon säteilyä ja lämmittivät sitä kautta enemmän. Tropiikissa ei kuitenkaan tapahtunut suuria albedomuutoksia, joten ainoastaan karbonidioksidipitoisuudet vaikuttivat alueeseen. Vain korkeampi hiilidioksiditaso olisi nostanut maapallon lämpötiloja yhtä paljon kaikilla leveysasteilla, mutta korkeilla leveysasteilla jään albedo-takaisinkytkennän lisävaikutus olisi nostanut lämpötiloja siellä enemmän. Tämä seikka selittää, miksi korkeampi kasvihuonekaasupitoisuus olisi voinut aiheuttaa alhaisemman EPTD: n.
koska jäässä on korkea albedo, se heijastaa suurimman osan korkeille leveysasteille tulevasta auringon säteilystä. (Nasan kuva)
teorian mukaan EPTDcaused ”the energy of gravity and planetary waves propagating from the troposphere intothe stratosphere be reduced” (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Tämä johtuu siitä, että keskileveysasteiden myrskyt muodostuvat meridionaalilämpötilan gradientin vuoksi ja että nämä myrskyt luovat aaltoja troposfäärissä. Jos lämpötilagradientti laskisi, kehittyisi vähemmän myrskyjä, koska ilmakehä olisi vakaammassa tilassa, ja sen seurauksena muodostuisi vähemmän, vähemmän voimakkaita aaltoja. Pienempi EPTD olisi siis vähentänyt stratosfääriin tulevan energian määrää. Tämä käsite ei ole farfetched kuin joitakin tutkimuksia (Lindzen and Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; ja Fusco ja Salby, 1999) tukevat ajatusta siitä, että vähentyneen EPTD: n myötä ilmakehän aaltoaktiivisuus ja eteneminen vähenevät. Jos oletetaan, että pienemmällä EPTD: llä on tämä vaikutus, tämä aaltoenergian lasku olisi vähentänyt näiden aaltojen stratosfääriin siirtämää liikemäärää.
tämä liikemäärän väheneminen olisi muuttanut stratosfäärin kiertonopeutta, koska tämä liikemäärä ajaa Brewer-Dobsonin kiertoa, stratosfäärin kiertoa. Brewer-Dobsonin kiertoliikkeelle on tyypillistä, että lämmin ilma nousee matalilla leveysasteilla ja kylmä ilma vajoaa korkeilla leveysasteilla. Koska planeetta-ja gravitaatioaaltojen liikemäärä ohjaa kiertoa, jos stratosfääriin siirretty liikemäärä olisi pienentynyt, kierto olisi hidastunut. Näin ollen matalat leveysasteet olisivat kuumentuneet, kun taas korkeat leveysasteet olisivat viilentyneet.
yleensä troposfäärin yläosa on liian kylmä, jotta vesihöyry pääsisi stratosfääriin. Pilvet nousevat tyypillisesti troposfäärissä konvektion vuoksi, mutta tietyssä pisteessä ilmakehä muuttuu liian kylmäksi, jotta pilvet enää nousisivat, koska kaikki niissä oleva vesihöyry saostuu. Tämä piste esiintyy yleensä troposfäärin huipulla, joten stratosfääriin pääsee hyvin vähän vesihöyryä. Jos kiertokulku kuitenkin hidastui ja matalan leveysasteen stratosfääri lämpeni tropopaussille asti, troposfäärin yläosa olisi voinut lämmetä niin paljon, että stratosfääriä höyrystävän veden määrä olisi kasvanut. Tämä vesihöyry olisi silloin kulkeutunut korkeille leveysasteille, ja PSC: t olisivat voineet muodostua tiheämmin ja olla optisesti paksumpia.
PSCs: n kehittyessä näissä olosuhteissa ikkuna, jonka kautta pitkäaaltoinen säteily olisi voinut paeta ilmakehästä, olisi pienentynyt ja korkean leveysasteen ilmakehä olisi lämmennyt. Kirk-Davidoffin, Schragin ja Andersonin mukaan heidän mallinsa eoseeniolosuhteissa PSCs: n aiheuttama lämmitys on navoilla 15 W / m2 ja polaarisilla alueilla PSCs: n aiheuttama lämpeneminen on 7 K. Nämä tulokset osoittavat, että PSCs: llä on voinut olla merkittävä vaikutus korkeiden leveysasteiden lämpötiloihin. Tämän vuoksi teoria tarjoaa järkevän selityksen sille, miksi poleswowit olisivat lämmenneet tasaisessa ilmastossa.
