Una spiegazione per la diminuzione della differenza di temperatura tra equatore e polo (EPTD) durante climi equabili esamina l’influenza delle nubi stratosferiche polari (PSC) sulla radiazione a onde lunghe che lascia la Terra alle alte latitudini e, di conseguenza,sulle temperature vicino ai poli. In contrasto con le teorie che spiegano i modi di trasportare di piùcalore ai poli, questo concetto si concentra sulla cattura del calore alle alte latitudini.
Nubi possono formarsi nella stratosfera polare durante la notte polare. (Foto di Lamont Poole)
Come punto di partenza, un fatto importante da notare è che le alte latitudini ricevono la maggior radiazione solare del mondo durante l’estate. Questa grande quantità di radiazioni può aumentare notevolmente le temperature polari, quindi un meccanismo di riscaldamento polare deve solo aumentare le temperature durante l’inverno per spiegare climi equabili. Questo fatto rende PSC una spiegazione plausibile per climi equabili. PSC sono nuvole che si formano quando il vapore acqueo entra nella stratosfera e quando le temperature sono abbastanza fredde per il vapore acqueo condensare lì. Durante l’inverno, le alte latitudini ricevono pochissima o nessuna radiazione solare,quindi le temperature scendono significativamente durante questo periodo, noto come notte polare. In queste condizioni, PSCS può svilupparsi. Intrappolano le radiazioni a onde lunghe in uscita (OLR) ed emettono alcuni di essi verso la superficie terrestre, in modo da ostacolare il raffreddamento atmosferico. PSC attualmente arerelatively raro; tuttavia, in diverse condizioni atmosferiche che consentirebbero più vapore acqueo per entrare nella stratosfera, PSC potrebbe sviluppare più frequentemente. Questo cambiamento causerebbe il riscaldamento nelle alte latitudini, poiché le radiazioni a onde lunghe non sarebbero in grado di sfuggire all’atmosfera terrestre con la stessa facilità.
Gli high-lattidues ricevono la maggior radiazione solare in estate (Pidwirny, 2006)
L’idea che PSCs potrebbe aver causato i climi equabili apparve nel 1992 quando Sloan et al. ha presentato l’idea che livelli più elevati di metano nell’atmosfera durante l’Eocene potrebbero aver causato un aumento sostanziale della frequenza e dello spessore ottico dei PSC. Secondo il documento, questo sviluppo avrebbe causato il riscaldamento delle regioni polari e avrebbe potuto creare il clima equo durante l’Eocene e il Cretaceo. Gli autori hanno basato la loro argomentazione sul fatto che amountsof zone umide molto più grandi, che sono fonti di metano, esistevano durante il Paleocene e l ” Eocene che attualmente. Essi sostengono che l ” area di zone umide possibile nel Paleocene-Eocene sarebbe stato almeno 5.6×106 km2, rispetto a 2×106 km2 per il momento. Così, durante il Paleocene-Eocene, ci sarebbe il potenziale per triplicare la moderna produzione di metano dai soli ecosistemi delle zone umide ” (Sloan et al., 1992). Mentre questi numeri sono solo stime, una quantità di Paleocene-Eocene zone umide ovunque vicino a questa scala avrebbe potuto avere un impatto significativo sull’ambiente producendo grandi quantità di metano. Il metano si ossida per formare watervapor nell’atmosfera, quindi la quantità di vapore acqueo che entra nella stratosfera sarebbe aumentata se la quantità di metano nell’atmosfera fosse stata maggiore. Come risultato del vapore acqueo più stratosferico, i PSC sarebbero stati in grado di formarsi più frequentemente e sarebbero stati otticamente più spessi. I PSC più spessi intrappolano più radiazioni a onde lunghe, quindi lo sviluppo di PSC più spessi e otticamente più spessi avrebbe riscaldato le alte latitudini senza influenzare le basse latitudini.
Per testare questa ipotesi, Sloan e Pollard nel 1998 hanno creato un esperimento per esaminare l’influenza dei PSC sulle alte latitudini. Hanno eseguito un esperimento di modello condue situazioni diverse. Il primo scenario non aveva PSC, mentre il secondo caso aveva PSC. Altrimenti, le piste erano le stesse e avevano le condizioni per una Terra simile all’Eocene, e avevano livelli di anidride carbonica di 560 ppm e livelli di metano di 0.700 ppm. Sloan e Pollard prescrissero i PSC in modo che esistessero solo durante la metà invernale dell’anno al di sopra di 66,5° di latitudine dove le temperature sarebbero state abbastanza fredde per formare i PSC. L’esperimento ha rivelato che le PSC potrebbero riscaldare le alte latitudini fino a 20°C in più se non fossero presenti e che le PSC impediscono lo sviluppo del ghiaccio marino durante l’inverno, quindi i livelli di ghiaccio marino sono diminuiti significativamente nel caso PSC (Sloan e Pollard, 1998). Nonostante questi risultati, l’esperimento con PSC produceva ancora temperature troppo basse rispetto ai dati proxy del Paleocene-Eocene.
(Sloan e Pollard, 1998)
Inoltre, questo studio ha studiato solo l’influenza dei PSC sul clima e non ha esaminato gli effetti di alti livelli di gas serra e PSC insieme. Pertanto, Peters e Sloan nel 2000 hanno presentato un altro documento che ha studiato l’impatto di grandi quantità di gas serra combinati con PSC. In questo studio, hanno eseguito due esperimenti modello, proprio come hanno fatto Sloan e Pollard. Entrambi gli scenari avevano livelli di anidride carbonica fissati a 560 ppm, che è 2 volte il livello preindustriale. La prima situazione, ECONTROL, aveva una concentrazione atmosferica di metano di 0,700 ppm, la quantità preindustriale, e non aveva PSC. Nel secondo caso, denominato PCLOUD, i livelli di metano erano 10 ppm, che è 14 volte la quantità di livelli preindustriali, e PSC sono stati prescritti come nello studio Sloan e Pollard. I risultati hanno mostrato un aumento della temperatura media annua media (MAT) a livello globale di 3,4°C, e le stuoie in PCLOUD erano più calde di ECONTROL di 12°C nell’emisfero settentrionale e di 9°C nell’emisfero meridionale. Tuttavia, nei Tropici, le stuoie di PCLOUD erano solo più calde di quelle di ECONTROL di 2°C. Inoltre, la temperatura media del mese freddo è aumentata di 25°C nel Nordemisfero e di 18°C nell’emisfero australe. Di conseguenza, lo studio mostra che gli effetti combinati di PSCS e livelli più elevati di gas serra potrebbero aumentare le polartemperature pur non influenzando sostanzialmente i Tropici. In particolare, rivela l’impatto di più metano e più PSC sul clima e dimostra che questi due fattori potrebbero aver causato climi equabili.
(Peters e Sloan, 2000)
Sebbene lo studio abbia prodotto risultati a sostegno dell’idea che concentrazioni più elevate di metano e più PSC avrebbero potuto causare climi equabili, ci sono due problemi principali con questa idea. Prima di tutto, nell’atmosfera moderna, il metano ha una vita di circa 7 anni, mentre il calore polare dell’Eocene esisteva per circa 10 milioni di anni (Kirk-Davidoff, Schrag e Anderson, 2002). Questo fatto fa sembrare improbabile che il metano possa persistere abbastanza a lungo da aver causato un clima equo. Anche se la vita del metano è aumentata durante l’Eocene, è dubbio che i livelli di metano siano stati sostenuti alle concentrazioni suggerite nello studio Peters e Sloan per tutta la duratadell’Eocene. Inoltre, Peters e Sloan non separano gli impatti del metano da quelli dei PSC. Presuppone che le concentrazioni di metano e la quantità di PSC siano direttamente correlate e non esamina se si formano più PSC a causa del metano. Pertanto, non si può essere sicuri che rappresenti accuratamente le dinamiche atmosferiche. Analogamente allo scenario dello studio Sloan e Pollard, è possibile che siano necessari solo livelli di anidride carbonica più elevati per causare più PSC e un clima equo. Di conseguenza, il metano potrebbe non essere così importante per la creazione di PSC e di climi equabili come Sloan et al. originariamente postulato.
Seguendo questo treno di pensiero, David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag e James G. Anderson ha deciso di indagare l’importanza dell’anidride carbonica sulla formazione di PSC e ha sostenuto che solo livelli più elevati di anidride carbonica sono necessari per causare climi equabili (2002). In una forma semplificata, affermano che le concentrazioni di gas serra più elevate si sono ridottela quantità di ghiaccio nelle alte latitudini e questo cambiamento ha ridotto l’EPTD. Quando l’eptddiminuì, anche l’energia delle onde, propagandosi nella stratosfera dalla troposfera, diminuì, quindi la circolazione di ribaltamento stratosferico rallentò. Pertanto, la stratosfera tropicale si è riscaldata mentre la stratosfera polare si è raffreddata perché la circolazione non ha disperso il calore tanto. Di conseguenza, i PSC potrebbero formarsi e causare il riscaldamento dei poliancora di più.
Immergendosi più in profondità, la teoria inizia con l’idea che la concentrazione di anidride carbonica è aumentata durante l’Eocene. Poiché l’anidride carbonica è un gas serra, livelli più elevati di anidride carbonica hanno rafforzato la capacità dell’atmosfera di irradiare le onde lunghe emesse dalla Terra. Quindi, il calore non poteva sfuggire anche all’atmosfera terrestre, quindi nel tempo, la Terra si è riscaldata. Questo cambiamento ha causato la fusione del ghiaccio nelle alte latitudini, quindi l’albedo nelle alte latitudini è diminuita. L’albedo è thereflectivity di una superficie e le superfici colorate più chiare hanno albedos più alti perché riflettono più luce che le superfici scure. Così, quando il ghiaccio si sciolse alle alte latitudini,l’oceano e i continenti riflettevano meno luce del ghiaccio che in precedenza copriva. Di conseguenza, le regioni polari hanno assorbito più radiazioni solari e di conseguenza si sono riscaldate di più. I Tropici, tuttavia, non hanno subito grandi cambiamenti di albedo, quindi solo i livelli di anidride carbonica hanno avuto un effetto sulla regione. Solo avere livelli di anidride carbonica più elevati avrebbe aumentato le temperature globali allo stesso modo a tutte le latitudini, ma l’effetto aggiuntivo del feedback dell’albedo del ghiaccio nelle alte latitudini avrebbe aumentato le temperature di più lì. Questo fatto spiega perché livelli più elevati di gas serra potrebbero aver causato un EPTD inferiore.
Poiché ha un’elevata albedo, il ghiaccio riflette la maggior parte della radiazione solare che arriva alle alte latitudini. (Image by NASA)
La teoria fa quindi supporre che la diminuzione dell’EPTD abbia causato “l’energia della gravità e delle onde planetarie che si propagano dalla troposfera alla stratosfera essere ridotta” (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Questa idea deriva dal fatto che le tempeste nelle medie latitudini si formano a causa del gradiente di temperatura meridionale e che queste tempeste creano onde nella troposfera. Se il gradiente di temperatura diminuisse, si svilupperebbero meno tempeste perché l’atmosfera sarebbe in uno stato più stabile e, di conseguenza, si formerebbero meno onde meno intense. Pertanto, un EPTD inferiore avrebbe causato una riduzione della quantità di energia che entrava nella stratosfera. Questo concetto non è inverosimile come alcuni studi (Lindzen e Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; e Fusco e Salby, 1999) supportano l’idea chesotto un EPTD diminuito, l’attività dell’onda atmosferica e la propagazione diminuiscono. Supponendo che un EPTD più piccolo abbia questo effetto, questo calo di energia delle onde avrebbe diminuito la quantità di moto trasferita alla stratosfera da queste onde.
Questa riduzione della quantità di moto avrebbe alterato il tasso di ribaltamento stratosferico perché questo slancio guida la circolazione Brewer-Dobson, la circolazione di ribaltamento nella stratosfera. La circolazione Brewer-Dobson è caratterizzata da aria calda che sale alle basse latitudini e aria fredda che affonda alle alte latitudini. Poiché la quantità di moto dalle onde planetarie e gravitazionali guida la circolazione, se la quantità di moto trasferita alla stratosfera fosse diminuita, la circolazione sarebbe rallentata. Pertanto, le basse latitudini sarebbero diventate più calde, mentre le alte latitudini si sarebbero raffreddate.
Generalmente, la parte superiore della troposfera è troppo fredda per consentire al vapore acqueo di entrare nella stratosfera. Nuvole tipicamente salire nella troposfera a causa di convezione, ma a un certo punto, l’atmosfera diventa troppo freddo per le nuvole a salire più perché tutto il vapore acqueo in loro precipita. Questo punto di solito si verifica nella parte superiore della troposfera, quindi pochissimo vapore acqueo entra nella stratosfera. Tuttavia, se la circolazione rovesciata rallentasse e se la stratosfera a bassa latitudine si riscaldasse fino alla tropopausa, la parte superiore della troposfera avrebbe potuto riscaldarsi abbastanza da consentire l’aumento della quantità di vapore acqueo che entrava nella stratosfera. Questo vapore acqueo sarebbe stato poi trasportato alle alte latitudini, e i PSC sarebbero stati in grado di formarsi più frequentemente e sarebbero stati otticamente più spessi.
Man mano che i PSC si sviluppavano in queste condizioni, la finestra attraverso la quale le radiazioni a onde lunghe potevano fuoriuscire dall’atmosfera sarebbe diminuita e l’atmosfera ad alta latitudine si sarebbe riscaldata. Secondo Kirk-Davidoff, Schrag, andAnderson, il riscaldamento dovuto a PSC nel caso delle condizioni eoceniche del loro modello è 15 W/m2 nei poli, e il riscaldamento nelle regioni polari dovuto a PSC è 7 K. Questi risultati rivelano che PSC avrebbe potuto avere un impatto significativo sulle temperature ad alta latitudine. Di conseguenza, la teoria fornisce una spiegazione ragionevole per il motivo per cui i poleswould si sono riscaldati durante i climi equabili.
