Eén verklaring voor de afname van het temperatuurverschil tussen de evenaar en de pool (eptd) tijdens een stabiel klimaat onderzoekt de invloed van polaire stratosferische wolken (PSCs) op lange golfstraling die de aarde op de hoge breedtegraden verlaat en, als gevolg daarvan,op temperaturen in de buurt van de Polen. In tegenstelling tot theorieën die wijzen op het transporteren van moreheat naar de Polen, richt dit concept zich op het vangen van warmte in de hoge breedtegraden.
wolken kunnen zich tijdens de poolnacht in de polaire stratosfeer vormen. (Foto door Lamont Poole)
een belangrijk feit om op te merken is dat de hoge breedtegraden gedurende de zomer de meeste zonnestraling ter wereld ontvangen. Deze grote hoeveelheid straling kan de polaire temperaturen aanzienlijk verhogen, dus een polair opwarmingsmechanisme hoeft alleen de temperaturen tijdens de winter te verhogen om een gelijk klimaat te verklaren. Dit feit maakt PSCs een plausibele verklaring voor Gelijke klimaten. PSC ‘ s zijn wolken die zich vormen wanneer waterdamp de stratosfeer binnenkomt en wanneer de temperaturen koud genoeg zijn om waterdamp daar te laten condenseren. Tijdens de winter, de hoge breedtegraden ontvangen zeer weinig tot geen zonnestraling,zodat de temperaturen aanzienlijk dalen tijdens deze periode, bekend als poolnacht. Onder deze omstandigheden kunnen PSC ‘ s zich ontwikkelen. Ze vangen uitgaande langegolfstraling (OLR) op en zenden een deel ervan terug naar het aardoppervlak, zodat ze de atmosferische koeling belemmeren. PSCs zijn momenteel relatief zeldzaam; echter, onder verschillende atmosferische omstandigheden waardoor meer waterdamp in de stratosfeer zou kunnen komen, zou PSCs zich vaker kunnen ontwikkelen. Deze verandering zou de opwarming van de hoge breedtegraden veroorzaken, omdat langegolfstraling niet zo gemakkelijk uit de atmosfeer van de aarde zou kunnen ontsnappen.
de hoge lattidu ’s ontvangen de meeste zonnestraling in de zomer (Pidwirny, 2006)
het idee dat PSC’ s de gelijkmatige klimaten kunnen hebben veroorzaakt verscheen in 1992 toen Sloan et al. presenteerde het idee dat hogere niveaus van methaan in de atmosfeer tijdens het Eoceen de frequentie en de optische dikte van PSC ‘ s aanzienlijk kunnen hebben verhoogd. Volgens de krant zou deze ontwikkeling de poolgebieden hebben doen opwarmen en het equable klimaat tijdens het Eoceen en het Krijt hebben gecreëerd. De auteurs baseerden hun argument op het feit dat er tijdens het Paleoceen en het Eoceen veel grotere hoeveelheden wetlands, die methaanbronnen zijn, bestonden dan nu het geval is. Zij beweren dat het “gebied van wetlands mogelijk in het Paleoceen-Eoceen ten minste 5, 6×106 km2 zou zijn geweest, vergeleken met 2×106 km2 op dit moment. Zo zou er tijdens het Paleoceen-Eoceen het potentieel zijn om de moderne methaanproductie alleen al uit wetlandecosystemen te verdrievoudigen ” (Sloan et al., 1992). Hoewel deze aantallen slechts schattingen zijn, kan een hoeveelheid Paleoceen-Eoceen wetlands ergens in de buurt van deze schaal een aanzienlijke impact hebben gehad op het milieu door het produceren van grote hoeveelheden methaan. Methaan oxideert om watervapor te vormen in de atmosfeer, dus de hoeveelheid waterdamp die de stratosfeer binnenkomt zou zijn toegenomen als de hoeveelheid methaan in de atmosfeer groter was geweest. Als gevolg van meer atmosferische waterdamp zou PSCs zich vaker hebben kunnen vormen en optisch dikker zijn geweest. Dikkere PSC ’s vangen meer lange golfstraling op, zodat de ontwikkeling van meer optisch dikkere PSC’ s de hoge breedtegraden zou hebben opgewarmd zonder de lage breedtegraden te beïnvloeden.Om deze hypothese te testen, creëerden Sloan en Pollard in 1998 een experiment om de invloed van PSC ‘ s op de hoge breedtegraden te onderzoeken. Ze voerden een modelexperiment uit met twee verschillende situaties. In het eerste scenario waren er geen PSC ‘s, in het tweede geval wel PSC’ s. Anders, de runs waren hetzelfde en had de voorwaarden voor een Eoceen-achtige aarde, en ze hadden kooldioxide niveaus van 560 ppm en methaan niveaus van 0.700 ppm. Sloan en Pollard schreven de PSCs voor, zodat ze alleen bestonden tijdens de winterhelft van het jaar boven de 66,5° breedtegraad waar de temperaturen koud genoeg zouden zijn om PSCs te vormen. Uit het experiment bleek dat PSC ’s de hoge breedtegraden tot 20°C meer konden verwarmen als ze niet aanwezig waren en dat PSC’ s de ontwikkeling van zee-ijs tijdens de winter verhinderen, zodat de zee-ijsniveaus in het PSC-geval aanzienlijk daalden (Sloan and Pollard, 1998). Ondanks deze resultaten produceerde het experiment met PSCs nog steeds temperaturen die te laag waren in vergelijking met proxygegevens uit het Paleoceen-Eoceen.
(Sloan and Pollard, 1998)
bovendien werd in deze studie alleen de invloed van PSC ’s op het klimaat onderzocht en werden de effecten van hoge broeikasgasniveaus en PSC’ s samen niet onderzocht. Daarom presenteerden Peters en Sloan in 2000 een ander artikel dat de impact van grote hoeveelheden broeikasgassen in combinatie met PSCs onderzocht. In deze studie voerden ze twee modelexperimenten uit, net als Sloan en Pollard. Beide scenario ‘ s hadden een koolstofdioxidegehalte van 560 ppm, dat is twee keer het pre-industriële niveau. De eerste situatie, ECONTROL, had een atmosferische methaanconcentratie van 0,700 ppm, de pre-industriële hoeveelheid, en had geen PSC ‘ s. In het tweede geval, genaamd PCLOUD, methaan niveaus waren 10 ppm, dat is 14 keer de hoeveelheid pre-industriële niveaus, en PSCs werden voorgeschreven zoals in de Sloan en Pollard studie. De resultaten toonden een globaal gemiddelde gemiddelde jaarlijkse temperatuur (MAT)stijging van 3,4°C, en matten in PCLOUD waren warmer dan ECONTROL met 12°C op het noordelijk halfrond en met 9°C op het zuidelijk halfrond. In de tropen was de matten van PCLOUD echter slechts met 2°C warmer dan die van ECONTROL.bovendien nam de gemiddelde temperatuur in de koude maand toe met 25°C in de NorthernHemisphere en met 18°C in het zuidelijk halfrond. De studie toont aan dat de gecombineerde effecten van PSC ‘ s en hogere niveaus van broeikasgassen de polartemperaturen zouden kunnen verhogen zonder de tropen substantieel te beïnvloeden. In het bijzonder onthult het de impact van meer methaan en meer PSC ‘ s op het klimaat en toont het aan dat deze twee factoren een gelijk klimaat hadden kunnen veroorzaken.
(Peters and Sloan, 2000)
hoewel de studie resultaten opleverde die het idee ondersteunen dat hogere methaanconcentraties en meer PSC ‘ s een gelijk klimaat zouden kunnen hebben veroorzaakt, zijn er twee grote problemen met dit idee. In de moderne atmosfeer heeft methaan een levensduur van ongeveer 7 jaar, terwijl de Eoceen polaire warmte ongeveer 10 miljoen jaar bestond (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Dit feit maakt het onwaarschijnlijk dat methaan lang genoeg had kunnen aanhouden om een gelijk klimaat te hebben veroorzaakt. Zelfs als de levensduur van methaan tijdens het Eoceen is toegenomen, is het twijfelachtig dat de methaanniveaus gedurende de gehele duur van het Eoceen werden gehandhaafd bij concentraties die in de Peters-en Sloan-studie werden gesuggereerd. Bovendien scheiden Peters en Sloan de effecten van methaan niet van die van PSCs. Het gaat ervan uit dat de methaanconcentraties en de hoeveelheid PSC ’s direct gecorreleerd zijn en onderzoekt niet of er meer PSC’ s ontstaan als gevolg van methaan. Daarom kan men er niet zeker van zijn dat het de atmosferische dynamiek nauwkeurig weergeeft. Net als in het Sloan-en Pollard-onderzoek is het mogelijk dat alleen hogere kooldioxide-niveaus nodig zijn om meer PSC ‘ s en een gelijk klimaat te veroorzaken. Als gevolg hiervan is methaan misschien niet zo belangrijk voor de vorming van PSC ‘ s en van gelijke klimaten als Sloan et al. oorspronkelijk gepostuleerd.
na deze gedachtegang volgen David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag en James G. Anderson besloot het belang van kooldioxide voor PSC-formatiete onderzoeken en stelde dat alleen hogere kooldioxide-niveaus nodig zijn om een gelijk klimaat te veroorzaken (2002). In een vereenvoudigde vorm stellen ze dat hogere broeikasgasconcentraties de hoeveelheid ijs op de hoge breedtegraden verminderden, en deze verandering verminderde de EPTD. Toen de Eptddecreëerde, nam ook de energie van golven, die zich vanuit de troposfeer in de stratosfeer voortplant, af, zodat de stratosferische omverwerping van de circulatie vertraagde. Daarom verwarmde de propische stratosfeer terwijl de polaire stratosfeer afkoelde omdat de circulatie de warmte minder verspreidde. Als gevolg hiervan konden PSCs vormen en zorgden ervoor dat de polen meer warmer zouden worden.
de theorie begint met het idee dat de kooldioxideconcentratie tijdens het Eoceen is toegenomen. Omdat kooldioxide een broeikasgas is, versterkten hogere niveaus van kooldioxide het vermogen van de atmosfeer om straling van de aarde te traplongwave. Warmte kon dus ook niet ontsnappen aan de atmosfeer van de aarde, dus na verloop van tijd warmde de aarde op. Deze verandering zorgde ervoor dat ijs op de hoge breedtegraden smolt, waardoor de albedo op de hoge breedtegraden afnam. De albedo is de reflectie van een oppervlak, en lichtere gekleurde oppervlakken hebben hogere Albedo ‘ s omdat ze meer licht dan donkere oppervlakken reflecteren. Dus, toen het ijs smolt op de hoge breedtegraden, reflecteerden de oceaan en de continenten minder licht dan het ijs dat ze voorheen bedekte. Als gevolg hiervan absorbeerden de poolgebieden meer zonnestraling en warmden daardoor meer op. De tropen ondergingen echter geen grote albedo-veranderingen, zodat alleen kooldioxideniveaus een invloed hadden op het gebied. Alleen met een hoger koolstofdioxidepeil zou de wereldwijde temperatuur op alle breedtegraden gelijk zijn gestegen, maar het extra effect van de terugkoppeling van ijs-albedo op de hoge breedtegraden zou de temperaturen daar meer hebben doen stijgen. Dit feit verklaart waarom hogere broeikasgasniveaus een lagere EPTD hadden kunnen veroorzaken.
omdat het een hoge albedo heeft, reflecteert ijs het grootste deel van de zonnestraling die op de grote breedtegraden komt. (Afbeelding door NASA)
de theorie gaat dan uit van de veronderstelling dat de afname van de Eptdcasused “the energy of gravity and planetary waves propaging from the troposhere in the stratosfeer be reduced” (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Dit idee komt voort uit het feit dat stormen in de middelste breedtegraden ontstaan door de meridionalttemperatuurgradiënt en dat deze stormen golven creëren in de troposfeer. Als de temperatuurgradiënt zou dalen, zouden er minder stormen ontstaan omdat de atmosfeer stabieler zou zijn, en als gevolg daarvan zouden er minder, minder intense golven ontstaan. Daarom zou een lagere EPTD een vermindering van de hoeveelheid energie in de stratosfeer hebben veroorzaakt. Dit concept is niet vergezocht zoals sommige studies (Lindzen and Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; en Fusco en Salby, 1999) ondersteunen het idee dat onder een verminderde EPTD, atmosferische golfactiviteit en voortplanting afneemt. Aangenomen dat een kleinere EPTD dit effect heeft, zou deze daling in golfenergie het momentum hebben verminderd dat door deze golven naar de stratosfeer wordt overgebracht.
deze vermindering van het momentum zou de snelheid van het kantelen van de stratosfeer hebben veranderd omdat dit momentum de circulatie van Brewer-Dobson, de kantelcirculatie in de stratosfeer, drijft. De brouwer-Dobson circulatie wordt gekenmerkt door warme lucht stijgt in de lage breedtegraden en koude lucht zinken in de hoge breedtegraden. Omdat het momentum van planetaire en zwaartekrachtgolven de circulatie drijft, zou als het momentum dat naar de stratosfeer werd overgebracht, de circulatie zijn vertraagd. Daarom zouden de lage breedtegraden warmer zijn geworden, terwijl de hoge breedtegraden zouden zijn afgekoeld.
in het algemeen is de top van de troposfeer te koud om waterdamp in de stratosfeer te laten komen. Wolken stijgen meestal op in de troposfeer als gevolg van convectie, maar op een bepaald punt wordt de atmosfeer te koud voor de wolken om meer te stijgen omdat alle waterdamp daarin neerslaat. Dit punt komt meestal voor aan de top van de troposfeer, dus komt er heel weinig waterdamp in de stratosfeer. Echter, als de kantelcirculatie vertraagde en als de lage breedtegraad stratosfeer opwarmde tot aan de tropopauze, zou de top van de troposfeer voldoende opgewarmd kunnen zijn om de hoeveelheid water die de stratosfeer verdampt, te laten toenemen. Deze waterdamp zou dan getransporteerd zijn naar de grote breedtegraden, en PSCs zou frequenter kunnen vormen en zou optisch dikker zijn geweest.
naarmate PSCs zich onder deze omstandigheden ontwikkelde, zou het venster waardoor lange golfstraling uit de atmosfeer kon ontsnappen, zijn afgenomen en zou de atmosfeer op hoge breedtegraad zijn opgewarmd. Volgens Kirk-Davidoff, Schrag, andAnderson is de verwarming als gevolg van PSCs in het Eoceen-geval van hun model 15 W/m2 in de polen, en de opwarming in de poolgebieden als gevolg van PSCs is 7 K. Deze resultaten laten zien dat PSCs een significante invloed op hoge breedtegraad temperaturen zou kunnen hebben gehad. Als gevolg hiervan geeft de theorie een redelijke verklaring voor waarom de Polen zouden zijn opgewarmd tijdens de equable klimaten.
