jedno wyjaśnienie spadku różnicy temperatur między równikiem a biegunem (EPTD) podczas równych klimatów bada wpływ polarnych chmur stratosferycznych (PSCs) na promieniowanie długofalowe opuszczające Ziemię w wysokich szerokościach geograficznych, aw rezultacie na temperatury w pobliżu biegunów. W przeciwieństwie do teorii wyjaśniających sposoby transportu ciepła na bieguny, koncepcja ta koncentruje się na wychwytywaniu ciepła w wysokich szerokościach geograficznych.
chmury mogą tworzyć się w stratosferze polarnej podczas nocy polarnej. (Zdjęcie Lamonta Poole ’ a)
jako punkt wyjścia, należy zauważyć, że wysokie szerokości geograficzne wytwarzają najwięcej promieniowania słonecznego na świecie w okresie letnim. Ta duża ilość promieniowania może znacznie podnieść temperaturę polarną, więc mechanizm ocieplenia polarnego musi tylko zwiększać temperaturę w zimie, aby wyjaśnić równomierny klimat. Fakt ten sprawia, że PSCs jest wiarygodnym wyjaśnieniem równych warunków klimatycznych. PSCs to chmury, które tworzą się, gdy para wodna wchodzi do stratosfery i gdy temperatury są wystarczająco zimne, aby para wodna mogła się tam skraplać. Podczas zimy, wysokie szerokości geograficzne otrzymują bardzo mało lub nie ma promieniowania słonecznego, więc temperatury znacznie spadają w tym okresie, znanym jako noc polarna. W tych warunkach PSCs może się rozwijać. Zatrzymują wychodzące promieniowanie długofalowe (OLR)i emitują je z powrotem w kierunku powierzchni Ziemi, co utrudnia ochłodzenie atmosfery. PSCs są obecnie rzadko spotykane, jednak w różnych warunkach atmosferycznych, które umożliwiłyby przedostanie się pary wodnej do stratosfery, PSCs mogłyby rozwijać się częściej. Zmiana ta spowodowałaby ocieplenie na wysokich szerokościach geograficznych, ponieważ promieniowanie długofalowe nie byłoby w stanie tak łatwo uciec z ziemskiej atmosfery.
wysokie lattydues otrzymują najwięcej promieniowania słonecznego latem (Pidwirny, 2006)
pomysł, że PSCs mógł spowodować wyrównane klimaty pojawił się w 1992 roku, gdy Sloan i in. przedstawił pogląd, że wyższe poziomy metanu w atmosferze w okresie eocenu mogły spowodować znaczny wzrost częstotliwości i grubości optycznej PSCs. Według artykułu, rozwój ten spowodowałby ocieplenie się regionów polarnych i mógł stworzyć odpowiedni klimat w eocenie i kredzie. Autorzy oparli swój argument na tym, że w okresie paleocenu i eocenu istniały znacznie większe ilości Mokradeł, będących źródłami metanu niż obecnie. Twierdzą oni ,że ” obszar Mokradeł możliwy w paleocenie-eocenie wynosiłby co najmniej 5, 6×106 km2, w porównaniu z 2×106 km2 dla obecnych. Tak więc, podczas paleocenu-eocenu, nie byłoby możliwości potrojenia nowoczesnej produkcji metanu z ekosystemów podmokłych sam”(Sloan et al., 1992). Chociaż te liczby są tylko szacunkami, ilość paleoceńsko-Eoceńskich terenów podmokłych w pobliżu tej skali mogła mieć znaczący wpływ na środowisko poprzez wytwarzanie dużych ilości metanu. Metan utlenia się, tworząc watervapor w atmosferze, więc ilość pary wodnej wchodzącej do stratosfery zwiększyłaby się, gdyby ilość metanu w atmosferze była większa. W wyniku większej ilości estratosferycznej pary wodnej, PSCs mogłyby tworzyć się częściej i byłyby optycznie grubsze. Grubsze PSCs zatrzymują więcej promieniowania długofalowego, więc rozwój większej, optycznie grubszej PSCs ogrzałby wysokie szerokości geograficzne, nie wpływając na niskie szerokości geograficzne.
aby przetestować tę hipotezę, Sloan i Pollard w 1998 roku stworzyli eksperyment badający wpływ PSCs na wysokie szerokości geograficzne. Przeprowadzili eksperyment modelowy zdwa różne sytuacje. Pierwszy scenariusz nie miał PSCs, podczas gdy drugi przypadek miał PSCs. W przeciwnym razie biegi były takie same i miały warunki ustalone dla Ziemi podobnej do eocenu, i miały poziom dwutlenku węgla 560 ppm i poziom metanu 0,700 ppm. Sloan i Pollard przepisali PSCs tak, że istniały one tylko w zimowej połowie roku powyżej 66,5° szerokości geograficznej, gdzie temperatury byłyby wystarczająco zimne, aby PSCS mogły powstać. Eksperyment ujawnił, że PSCs może ogrzać wysokie szerokości geograficzne nawet o 20°C więcej niż gdyby nie były obecne i że PSCs zapobiegają rozwojowi lodu morskiego w zimie, więc poziom lodu morskiego znacznie się zmniejszył w przypadku PSC (Sloan i Pollard, 1998). Mimo tych wyników, eksperyment z PSCs nadal generował temperatury, które były zbyt niskie w porównaniu do danych z paleocenu-eocenu.
(Sloan and Pollard, 1998)
ponadto w badaniu tym badano jedynie wpływ PSCs na klimat i nie zbadano wpływu wysokich poziomów gazów cieplarnianych i PSCs razem. Dlatego też Peters i Sloan w 2000 roku przedstawili kolejny artykuł, w którym zbadano wpływ dużych ilości gazów cieplarnianych w połączeniu z PSCs. W tym badaniu przeprowadzili dwa eksperymenty modelowe, podobnie jak Sloan i Pollard. W obu scenariuszach poziom dwutlenku węgla ustalono na poziomie 560 ppm, czyli 2 razy wyższym niż poziom preindustrialny. Pierwsza sytuacja, ECONTROL, miała atmosferyczne stężenie metanu 0,700 ppm, ilość preindustrialna, i nie miała żadnych PSCs. W drugim przypadku, nazwanym PCLOUD, poziom metanu wynosił 10 ppm, co jest 14-krotnością poziomu przedindustrialnego, a PSCs przepisano tak, jak w badaniu Sloan i Pollard. Wyniki wykazały globalnie uśredniony wzrost średniej rocznej temperatury (MAT)o 3,4°C, A maty w PCLOUD były cieplejsze od ECONTROL o 12°C na półkuli północnej i o 9°C na półkuli południowej. Jednak w tropikach Maty PCLOUD były tylko cieplejsze od ECONTROL o 2°C. Dodatkowo średnia temperatura w zimnym miesiącu wzrosła o 25°c na półkuli północnej i o 18°C na półkuli południowej. W rezultacie badanie pokazuje, że połączone efekty PSCs i wyższe poziomy gazów cieplarnianych mogą podnieść temperaturę polartemperatury, nie wpływając znacząco na tropiki. W szczególności ujawnia wpływ większej ilości metanu i większej liczby pcs na klimat i pokazuje, że te dwa czynniki mogły spowodować wyrównane klimaty.
(Peters i Sloan, 2000)
chociaż badanie przyniosło wyniki potwierdzające pomysł, że wyższe stężenia metanu i większa liczba PSCs mogły spowodować wyrównane klimaty, istnieją dwa poważne problemy z tym pomysłem. Po pierwsze, we współczesnej atmosferze Metan ma żywotność około 7 lat, podczas gdy eoceńskie ciepło polarne istniało około 10 milionów lat (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Fakt ten sprawia, że wydaje się mało prawdopodobne, że metan mógł utrzymywać się wystarczająco długo, aby spowodować wyrównany klimat. Nawet jeśli żywotność metanu wzrosła podczas eocenu, wątpliwe jest, aby poziomy metanu utrzymywały się w stężeniach sugerowanych w badaniu Petersa i Sloana przez cały czas trwania eocenu. Dodatkowo Peters i Sloan nie oddzielają oddziaływania metanu od działania PSCs. Zakłada on, że stężenia metanu i ilość PSCs są bezpośrednio skorelowane i nie bada, czy więcej PSCs powstaje z powodu metanu. Nie można więc być pewnym, że dokładnie oddaje dynamikę atmosfery. Podobnie jak w przypadku badania Sloana i Pollarda, możliwe jest, że tylko wyższe poziomy dwutlenku węgla są konieczne, aby spowodować więcej PSCs i wyrównany klimat. W rezultacie Metan może nie być tak ważny dla tworzenia PSCs i równych klimatów, jak Sloan et al. pierwotnie postulowany.
podążając tym ciągiem myśli, David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag i James G. Anderson postanowił zbadać znaczenie dwutlenku węgla w kształtowaniu PSC i argumentował, że tylko wyższe poziomy dwutlenku węgla są konieczne do wywołania równych klimatów (2002). W uproszczonej formie stwierdzają, że wyższe stężenia gazów cieplarnianych zmniejszyłyilość lodu w wysokich szerokościach geograficznych, a ta zmiana zmniejszyła EPTD. Kiedy eptd zmniejszyła się, energia fal, rozprzestrzeniających się do stratosfery z troposfery, również zmniejszyła się, więc stratosfera przewracająca cyrkulacja zwolniła. W związku z tym stratosfera polarna ociepliła się, podczas gdy stratosfera polarna ochłodziła się, ponieważ obieg nie rozpraszał tak bardzo ciepła. W rezultacie PSCs mogło się uformować i spowodowało, że Polacy ogrzali się jeszcze bardziej.
nurkując na większą głębokość, teoria zaczyna się od idei, że stężenie dwutlenku węgla wzrosło w eocenie. Ponieważ dwutlenek węgla jest gazem cieplarnianym, wyższy poziom dwutlenku węgla wzmocnił zdolność atmosfery do traplongwave promieniowania emitowanego przez Ziemię. Tak więc ciepło nie mogło uciec również z ziemskiej atmosfery, więc z czasem ziemia się ociepliła. Ta zmiana spowodowała stopienie się lodu na wysokich szerokościach geograficznych, więc Albedo na wysokich szerokościach zmniejszyło się. Albedo jest równe powierzchni, a jaśniejsze powierzchnie mają wyższe albedosy, ponieważ odbijają więcej światła niż ciemne powierzchnie. Tak więc, kiedy lód stopił się na wysokich szerokościach geograficznych, ocean i kontynenty odbijały mniej światła niż lód, który wcześniej pokrywał. W rezultacie regiony polarne pochłaniały więcej promieniowania słonecznego i w konsekwencji ogrzewały się bardziej. Tropiki nie podlegały jednak żadnym poważnym zmianom albedo, więc tylko poziom dwutlenku węgla miał wpływ na region. Tylko wyższy poziom dwutlenku węgla zwiększyłby globalne temperatury w równym stopniu na wszystkich szerokościach geograficznych, ale dodatkowy efekt sprzężenia zwrotnego albedo lodu na wysokich szerokościach geograficznych zwiększyłby tam temperaturę bardziej. Fakt ten wyjaśnia, dlaczego wyższe poziomy gazów cieplarnianych mogły spowodować obniżenie EPTD.
ponieważ ma wysokie albedo, lód odbija większość promieniowania słonecznego, które dociera do wysokich szerokości geograficznych. (Zdjęcie NASA)
teoria zakłada, że spadek Eptd spowodowany „zmniejszeniem energii grawitacji i fal planetarnych propagujących się z troposfery do stratosfery” (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Idea ta wynika z faktu, że burze w średnich szerokościach geograficznych tworzą się z powodu gradientu temperatury południka i że burze te tworzą fale w troposferze. Jeśli gradient temperatury zmniejszyłby się, rozwinęłoby się mniej burz, ponieważ atmosfera byłaby w bardziej stabilnym stanie, a w rezultacie powstałoby mniej, mniej intensywnych fal. W związku z tym niższy EPTD spowodowałby zmniejszenie ilości energii wchodzącej do stratosfery. Koncepcja ta nie jest farfetched jako niektóre badania (Lindzen i Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; oraz Fusco i Salby, 1999) popierają ideę, że po zmniejszeniu EPTD zmniejsza się aktywność fal atmosferycznych i propagacja. Zakładając, że mniejszy EPTD ma ten efekt, ten spadek energii fal zmniejszyłby pęd przenoszony do stratosfery przez te fale.
to zmniejszenie pędu zmieniłoby szybkość przewracania się stratosfery, ponieważ ten pęd napędza cyrkulację Brewera-Dobsona, przewracanie się w stratosferze. Obieg Brewer-Dobson charakteryzuje się ciepłym powietrzem wznoszącym się na niskich szerokościach geograficznych i zimnym powietrzem tonącym na wysokich szerokościach geograficznych. Ponieważ pęd fal planetarnych i grawitacyjnych napędza cyrkulację, gdyby pęd przenoszony do stratosfery zmniejszył się, cyrkulacja zwolniłaby. Dlatego też niskie szerokości geograficzne stałyby się cieplejsze, podczas gdy wysokie szerokości geograficzne ochłodziłyby się.
generalnie szczyt troposfery jest zbyt zimny, aby para wodna mogła przedostać się do stratosfery. Chmury zazwyczaj wznoszą się w troposferze z powodu konwekcji, ale w pewnym momencie atmosfera staje się zbyt zimna, aby chmury mogły się wznieść, ponieważ cała para wodna w nich wytrąca się. Ten punkt zwykle występuje w górnej części troposfery, więc bardzo mało pary wodnej wchodzi do stratosfery. Jeśli jednak obrócenie spadło, a stratosfera o niskiej szerokości geograficznej ociepliła się do tropopauzy, szczyt troposfery mógł ogrzać się na tyle, aby Ilość pary wodnej wpływającej na stratosferę wzrosła. Ta para wodna byłaby następnie przenoszona na wysokie szerokości geograficzne, a PSCs byłyby w stanie tworzyć częściej i byłyby optycznie grubsze.
w miarę rozwoju PSCs w tych warunkach, okno, przez które promieniowanie długofalowe mogło uciec z atmosfery, zmniejszyłoby się, a atmosfera o dużej szerokości geograficznej ogrzałaby się. Według Kirka-Davidoffa, Schraga, Andandersona, ogrzewanie spowodowane PSCs w przypadku ich modelu w Warunkach eocenu wynosi 15 W/m2 na biegunach, a ocieplenie w regionach polarnych spowodowane PSCs wynosi 7 K. wyniki te pokazują, że PSCs mogły mieć znaczący wpływ na wysokie temperatury szerokości geograficznej. W rezultacie teoria dostarcza rozsądnego wyjaśnienia, dlaczego Polacy ogrzali się podczas równych klimatów.
