az Egyenlítőtől a pólusig terjedő hőmérséklet-különbség (EPTD) csökkenésének egyik magyarázata az egyenlő éghajlat alatt a poláris sztratoszférikus felhők (PSC) hatását vizsgálja a Földet a magas szélességi fokon elhagyó hosszúhullámú sugárzásra, ennek eredményeként a pólusok közelében lévő hőmérsékletekre. Ellentétben az elméletekkel, amelyek megmagyarázzák a továbbítás módjáthő a pólusokhoz, ez a koncepció a magas szélességi fokon lévő hő csapdázására összpontosít.
felhők képződhetnek a sarki sztratoszférában a sarki éjszaka folyamán. (Lamont Poole képe)
kiindulópontként fontos megjegyezni, hogy a nagy szélességű nyár folyamán a legtöbb napsugárzást kapja a világon. Ez a nagy mennyiségű sugárzás jelentősen megemelheti a poláris hőmérsékletet, ezért a poláris felmelegedési mechanizmusnak csak télen kell növelnie a hőmérsékletet, hogy megmagyarázza az egyenlő éghajlatot. Ez a tény teszi a PSC-ket elfogadható magyarázatsá az egyenlő éghajlatra. A PSC-k olyan felhők, amelyek akkor keletkeznek, amikor a vízgőz belép a sztratoszférába, és amikor a hőmérséklet elég hideg ahhoz, hogy a vízgőz ott kondenzálódjon. Télen a magas szélességek nagyon kevés vagy egyáltalán nem kapnak napsugárzást, ezért ebben az időszakban a hőmérséklet jelentősen csökken, az úgynevezett sarki éjszaka. Ilyen körülmények között PSC-k alakulhatnak ki. Csapdába ejtik a kimenő hosszúhullámú sugárzást (OLR), és annak egy részét a Föld felszíne felé bocsátják ki, így akadályozzák a légköri hűtést. A PSC-k jelenleg viszonylag ritkák; azonban különböző légköri körülmények között, amelyek lehetővé tennék több vízgőz bejutását a sztratoszférába, a PSC-k gyakrabban fejlődhetnek ki. Ez a változás felmelegedést okozna a nagy szélességi fokokon, mivel a hosszúhullámú sugárzás nem lenne képes olyan könnyen elmenekülni a Föld légköréből.
a magas lattidues kapja a legtöbb napsugárzást nyáron (Pidwirny, 2006)
az a gondolat, hogy a PSC-k okozhatták a kiegyenlíthető éghajlatot, 1992-ben jelent meg, amikor Sloan et al. bemutatta azt az elképzelést, hogy az eocén idején a légkörben magasabb metánszint okozhatta a PSC-k frekvenciájának és optikai vastagságának jelentős növekedését. A tanulmány szerint ez a fejlemény a sarkvidékek felmelegedését okozhatta, és az eocén és a Krétakor idején megteremthette az egyenlőtlen éghajlatot. A szerzők érvelésüket arra a tényre alapozták,hogy a paleocén és az eocén idején sokkal nagyobb mennyiségű vizes élőhely létezett, mint jelenleg. Azt állítják, hogy ” a paleocén-eocénben lehetséges vizes élőhelyek területe legalább 5, 6×106 km2 lett volna, szemben a jelenlegi 2×106 km2-vel. Így a paleocén-eocén idején lehetőség nyílik arra, hogy a modern metántermelést csak a vizes élőhelyek ökoszisztémáiból megháromszorozzuk” (Sloan et al., 1992). Bár ezek a számok csak becslések, a paleocén-eocén vizes élőhelyek mennyisége e skála közelében jelentős hatással lehetett a környezetre nagy mennyiségű metán előállításával. A metán oxidálódik, hogy vízgőz képződjön a légkörben, így a sztratoszférába belépő vízgőz mennyisége nőtt volna, ha a légkörben a metán mennyisége nagyobb lett volna. A morestratoszférikus vízgőz hatására a PSC-k gyakrabban tudtak volna kialakulni, és optikailag vastagabbak lettek volna. A vastagabb PSC-k több hosszúhullámú sugárzást csapnak be, így a több, optikailag vastagabb PSC-k kifejlesztése felmelegítette volna a magas szélességi fokokat, miközben nem befolyásolta az alacsony szélességi fokokat.
ennek a hipotézisnek a tesztelésére Sloan és Pollard 1998-ban kísérletet készítettek a PSC-k nagy szélességi fokokra gyakorolt hatásának vizsgálatára. Modellkísérletet végeztekkét különböző helyzet. Az első forgatókönyvben nem voltak egyablakos ügyintézési pontok, míg a második esetben voltak egyablakos ügyintézési pontok. Egyébként a futások ugyanazok voltak, és az Eocénhez hasonló Föld feltételei voltak, és a szén-dioxid szintje 560 ppm, a metán szintje pedig 0,700 ppm volt. Sloan és Pollard úgy írta elő a PSC – ket, hogy azok csak az év téli felében léteztek 66,5 szélesség felett, ahol a hőmérséklet elég hideg volt ahhoz, hogy az PSC-k kialakuljanak. A kísérlet során kiderült, hogy a PSC-k akár 20 Celsius-fokkal is jobban felmelegíthetik a magas szélességi köröket, mint ha nem lennének jelen, és hogy az PSC-k megakadályozzák a tengeri jég kialakulását télen, így a tengeri jég szintje jelentősen csökkent a PSC esetében (Sloan és Pollard, 1998). Ezen eredmények ellenére a PSC-kkel végzett kísérlet még mindig túl alacsony hőmérsékletet eredményezett a paleocén-eocén proxy adataihoz képest.
(Sloan and Pollard, 1998)
ezenkívül ez a tanulmány csak a PSC-k éghajlatra gyakorolt hatását vizsgálta, és nem vizsgálta a magas üvegházhatásúgáz-szintek és az PSC-k együttes hatásait. Ezért Peters és Sloan 2000-ben egy másik tanulmányt mutattak be, amely a nagy mennyiségű üvegházhatású gázok és a PSC-k hatását vizsgálta. Ebben a tanulmányban két modellkísérletet végeztek, csakúgy, mint Sloan és Pollard. Mindkét forgatókönyv szén-dioxid-szintjét 560 ppm-re állították be, ami az iparosodás előtti szint 2-szerese. Az első helyzetben, az ECONTROL-ban a légköri metánkoncentráció 0,700 ppm volt, ami az iparosodás előtti mennyiség, és nem volt PSC. A második, PCLOUD nevű esetben a metánszint 10 ppm volt, ami 14-szerese az iparosodás előtti szintnek, és PSC-ket írtak fel, mint a Sloan and Pollard tanulmányban. Az eredmények azt mutatták, hogy a globális átlagolt átlagos éves hőmérséklet (mat)3,4 Celsius-fokkal nőtt, és a Pcloudban a MATs az északi féltekén 12, A déli féltekén pedig 9 Celsius-fokkal volt melegebb az ECONTROL-nál. Azonban, a trópusokon, a PCLOUD szőnyegei csak melegebbek voltak, mint az ECONTROLÉ 2 KB C. Továbbá, a hideg hónap átlaghőmérséklete 25 Kb C az északi féltekén és 18 Kb a déli féltekén. Ennek eredményeként a tanulmány azt mutatja, hogy az egyablakos ügyintézési pontok és az üvegházhatást okozó gázok magasabb szintjének együttes hatása növelheti a polartemperméretet, miközben nem érinti jelentősen a trópusokat. Pontosabban feltárja a több metán és több PSC hatását az éghajlatra, és bizonyítja, hogy ez a két tényező egyenlő éghajlatot okozhatott.
(Peters and Sloan, 2000)
bár a tanulmány olyan eredményeket hozott, amelyek alátámasztják azt az elképzelést, hogy a magasabb metánkoncentráció és a több PSC egyenlő éghajlatot okozhatott, két fő probléma van ezzel az elképzeléssel. Először is, a modern légkörben a metán élettartama nagyjából 7 év, míg az eocén sarki meleg körülbelül 10 millió évig létezett (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Ez a tény valószínűtlennek tűnik, hogy a metán elég hosszú ideig fennmaradhatott volna ahhoz, hogy egyenlő éghajlatot okozzon. Még ha a metán élettartama növekedett is az eocén alatt, kétséges, hogy a metán szintje a Peters and Sloan tanulmányban javasolt koncentrációkban fennmaradt-e az eocén teljes időtartama alatt. Ezenkívül Peters és Sloan nem különítik el a metán hatásait a PSC-k hatásaitól. Feltételezi, hogy a metánkoncentráció és az egyablakos ügyintézési pontok mennyisége közvetlen összefüggést mutat, és nem vizsgálja, hogy a metán miatt több egyablakos ügyintézési pont alakul-e ki. Ezért nem lehet biztos abban, hogy pontosan ábrázolja a légköri dinamikát. A Sloan-és Pollard-tanulmány forgatókönyvéhez hasonlóan lehetséges, hogy csak magasabb szén-dioxid-szintekre van szükség több PSC-t és egyenlőbb éghajlatot eredményezve. Ennek eredményeként a metán nem biztos, hogy olyan fontos a PSC-k és a kiegyenlíthető éghajlat létrehozása szempontjából, mint Sloan et al. eredetileg feltételezték.
ezt a gondolatmenetet követve David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag és James G. Anderson úgy döntött, hogy megvizsgálja a szén-dioxid fontosságát a PSC kialakulásábanés azzal érvelt, hogy csak magasabb szén-dioxid-szintekre van szükség az egyenlő éghajlat kialakulásához (2002). Egyszerűsített formában azt állítják, hogy a magasabb üvegházhatású gázok koncentrációja csökkenta jég mennyisége a nagy szélességi területeken, és ez a változás csökkentette az EPTD-t. Amikor az Eptdcsökkent, a hullámokból származó energia, amely a troposzférából a sztratoszférába terjed, szintén csökkent, így a sztratoszférikus felborulási keringés lelassult. Ezért a trópusi sztratoszféra felmelegedett, míg a poláris sztratoszféra lehűlt, mert a keringés nem diszpergálta annyira a hőt. Ennek eredményeként PSC-k alakulhatnak ki, amelyek még jobban felmelegítik a pólusokat.
mélyebbre merülve az elmélet azzal a gondolattal kezdődik, hogy a szén-dioxid koncentrációja nőtt az eocén alatt. Mivel a szén-dioxid üvegházhatású gáz, a magasabb szén-dioxid-szint megerősítette a légkör azon képességét, hogy a Föld által kibocsátott hosszúhullámú sugárzást befogja. Így a hő nem tudott elmenekülni a Föld légköréből is, így az idő múlásával a föld felmelegedett. Ez a változás miatt a nagy szélességi fokokon a jég megolvadt, így a nagy szélességi fokokon az albedó csökkent. Az albedó a felület flektivitása, a világosabb színű felületeknek pedig nagyobb az albedója, mert több fényt tükröznek, mint a sötét felületek. Így, amikor a jég elolvadt a magas szélességi fokokon, az óceán és a kontinensek kevesebb fényt tükröztek vissza, mint az a jég, amely korábban beborította őket. Ennek eredményeként a sarki régiók több napsugárzást nyeltek el, következésképpen jobban felmelegedtek. A trópusokon azonban nem történt jelentős albedóváltozás, így csak a szén-dioxid szintje befolyásolta a régiót. Csak a magasabb szén-dioxid-szintek növelték volna a globális hőmérsékletet minden szélességi fokon, de a jég-albedo visszacsatolás további hatása a magas szélességi fokokon jobban megnövelte volna a hőmérsékletet. Ez a tény megmagyarázza, hogy a magasabb üvegházhatású gázok szintje miért okozhatott alacsonyabb EPTD – t.
mivel magas albedója van, a jég tükrözi a napsugárzás nagy részét, amely a magas szélességi fokokba kerül.
az elmélet azt feltételezi, hogy az Eptd csökkenése “a troposzférából a sztratoszférába terjedő gravitációs és bolygóhullámok energiáját csökkentette” (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Ez az elképzelés abból a tényből származik, hogy a közepes szélességi fokokon viharok alakulnak ki a meridionálishőmérséklet-gradiens miatt, és hogy ezek a viharok hullámokat hoznak létre a troposzférában. Ha a hőmérséklet-gradiens csökken, kevesebb vihar alakul ki, mert a légkör stabilabb állapotban lenne, és ennek eredményeként kevesebb, kevésbé intenzív hullám keletkezne. Ezért az alacsonyabb EPTD csökkentette volna a sztratoszférába belépő energia mennyiségét. Ez a koncepció nem túlzás, mint néhány tanulmány (Lindzen and Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; és Fusco és Salby, 1999) támogatják azt az elképzelést, hogy a csökkent EPTD mellett csökken a légköri hullámaktivitás és a terjedés. Feltételezve, hogy a kisebb EPTD-nek ez a hatása van, ez a hullámenergia-csökkenés csökkentette volna a sztratoszférába átadott lendületet.
ez a lendület csökkenése megváltoztatta volna a sztratoszférikus felborulás sebességét, mert ez a lendület hajtja a Brewer-Dobson keringést, a sztratoszféra felborulását. A Brewer-Dobson keringést az alacsony szélességi fokokon emelkedő meleg levegő, a magas szélességi fokokon pedig süllyedő hideg levegő jellemzi. Mivel a bolygó és a gravitációs hullámok lendülete hajtja a keringést, ha a sztratoszférába átvitt lendület csökkent volna, a keringés lelassult volna. Ezért az alacsony szélességi fokok melegebbek lettek volna, míg a nagy szélességi fokok lehűltek volna.
általában a troposzféra teteje túl hideg ahhoz, hogy a vízgőz beléphessen a sztratoszférába. A felhők általában a konvekció miatt emelkednek a troposzférában, de egy bizonyos ponton a légkör túl hideg lesz ahhoz, hogy a felhők tovább emelkedjenek, mert a bennük lévő összes vízgőz kicsapódik. Ez a pont általában a troposzféra tetején fordul elő, így nagyon kevés vízgőz jut be a sztratoszférába. Azonban, ha a felborulás lelassult, és ha az alacsony szélességű sztratoszféra felmelegedett a tropopauzáig, a troposzféra teteje eléggé felmelegedhetett ahhoz, hogy a sztratoszférában lévő vízgőz mennyisége növekedjen. Ezt a vízgőzt azután a magas szélességi körökbe szállították volna, és az egyablakos ügyintézési pontok gyakrabban képződhettek volna, optikailag pedig vastagabbak lettek volna.
ahogy a PSC-k ilyen körülmények között fejlődtek, az ablak, amelyen keresztül a hosszúhullámú sugárzás kiszökhetett a légkörből, csökkent, és a nagy szélességű légkör felmelegedett volna. Kirk-Davidoff, Schrag és andAnderson szerint a PSC-k által okozott fűtés modelljük eocén körülményeiben 15 W/m2 a pólusokban, a poláris régiókban pedig a PSC-k által okozott felmelegedés 7 K. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a PSC-k jelentős hatást gyakorolhattak a magas szélességi hőmérsékletekre. Ennek eredményeként az elmélet ésszerű magyarázatot ad arra, hogy a pólusok miért melegedtek volna fel az egyenlő éghajlat alatt.
