Vedci vyriešili záhadu, ktorá trvala desaťročia. Prečo CO₂ pri zemi hreje, no vysoko nad nami chladí?
Oxid uhličitý pri zemi otepľuje planétu, no v stratosfére ju pomáha ochladzovať. Nová štúdia vysvetľuje, prečo tento paradox posilňuje skleníkový efekt.
Oxid uhličitý má zvláštnu vlastnosť, ktorá na prvé počutie nedáva zmysel. Pri zemi pomáha zadržiavať teplo, no vysoko nad nami robí presný opak. V stratosfére, teda vo vrstve atmosféry desiatky kilometrov nad povrchom, prispieva k jej ochladzovaniu.
Nie je to pritom drobná odchýlka v meraniach. Od polovice 80. rokov sa stratosféra ochladila približne o 2 stupne Celzia. Podľa vedcov je to viac než desaťnásobok toho, čo by sme očakávali bez emisií oxidu uhličitého spôsobených človekom.
Paradox, ktorý vedci pozorovali už desaťročia, konečne dostal presnejšie vysvetlenie. Tím z Kolumbijskej univerzity prišiel na to, prečo sa oxid uhličitý v rôznych výškach správa úplne inak.
Ten istý plyn, úplne iný účinok: v stratosfére sa CO₂ začne správať ako chladič
Pri povrchu Zeme má oxid uhličitý relatívne jednoduchú úlohu. Zachytáva časť infračerveného žiarenia, ktoré sa Zem snaží vyžiariť späť do vesmíru. Preto sa spodné vrstvy atmosféry ohrievajú. Lenže vo výške, kde sa začína stratosféra, teda približne od 11 kilometrov nad povrchom, už atmosféra nefunguje ako hustá prikrývka nad planétou.
Vzduch je tam redší, molekuly sú od seba ďalej a energia má väčšiu šancu uniknúť preč. Oxid uhličitý preto v tejto vrstve nezohrieva okolie rovnakým spôsobom ako pri zemi. Prijíma infračervené žiarenie prichádzajúce z nižších vrstiev atmosféry a časť tejto energie vyžiari smerom do vesmíru. Výsledok je na prvý pohľad zvláštny. Čím viac CO₂ v stratosfére pribúda, tým účinnejšie sa táto vrstva zbavuje tepla.
Neprehliadni
Podľa Seana Cohena z observatória Lamont-Doherty je rozhodujúce, že oxid uhličitý nereaguje na všetko infračervené žiarenie rovnako. Niektoré vlnové dĺžky pohlcuje a vyžaruje oveľa účinnejšie než iné. Práve táto jeho spektrálna „citlivosť“ rozhoduje o tom, prečo sa stratosféra ochladzuje najviac vo svojich vyšších častiach.
CO₂ nepracuje so všetkým teplom rovnako. Rozhodujú len niektoré vlnové dĺžky
Rozhodujúce nie je len to, koľko oxidu uhličitého je v atmosfére, ale aj to, s akým typom tepelného žiarenia pracuje. CO₂ totiž nereaguje na všetky časti infračerveného spektra rovnako. Niektoré vlnové dĺžky pohlcuje a následne vyžaruje oveľa účinnejšie než iné.
Vedci preto hovoria o úzkej oblasti spektra, kde má oxid uhličitý na chladenie stratosféry najväčší vplyv. Nejde o viditeľné svetlo, ale o infračervené žiarenie, teda teplo, ktoré Zem vyžaruje späť smerom do vesmíru. Práve v tejto časti spektra sa ukrýva odpoveď na otázku, prečo sa horná atmosféra ochladzuje inak než vrstvy pri povrchu.
„Tento výskum vysvetľuje jav, ktorý patrí medzi jasné odtlačky klimatickej zmeny. Vieme o ňom už desaťročia, no doteraz sme presne nerozumeli tomu, čo ho riadi,“ hovorí Robert Pincus, ktorý sa na štúdii podieľal.
Keď koncentrácia oxidu uhličitého rastie, rozširuje sa aj časť spektra, cez ktorú dokáže stratosféra účinnejšie strácať teplo. Inými slovami, nejde o jednoduché pravidlo typu viac CO₂ rovná sa viac chladenia. Dôležité je, v ktorých vlnových dĺžkach sa tento plyn stáva účinným vyžarovačom energie.
Preto sa chladenie neprejavuje všade rovnako. V spodných častiach stratosféry je slabšie, no smerom nahor rastie. Pri každom zdvojnásobení koncentrácie oxidu uhličitého môže v hornej stratosfére dosiahnuť približne 8 stupňov Celzia.
CO₂ nie je v stratosfére sám, no hlavný efekt riadi práve on
Vedci sa nepozerali len na oxid uhličitý. Do výpočtov zahrnuli aj vodnú paru a ozón, pretože aj tieto plyny pracujú s infračerveným žiarením. V nižších vrstvách atmosféry dokážu prispievať k zadržiavaniu tepla a vyššie môžu ovplyvňovať to, ako atmosféra energiu vyžaruje späť do vesmíru.
Lenže pri stratosférickom ochladzovaní nehrali hlavnú úlohu. Podľa autorov efekt skôr upravujú, než riadia. Rozhodujúci podpis nesie oxid uhličitý, konkrétne spôsob, akým jeho molekuly pohlcujú a vyžarujú infračervené žiarenie v hlavnom absorpčnom pásme CO₂.
K tomuto záveru sa tím nedostal jedným jednoduchým výpočtom. Autori postupne skladali zjednodušené modely žiarenia, porovnávali ich s komplexnejšími simuláciami aj reálnymi pozorovaniami a upravovali rovnice tak, aby vysvetlili nielen samotné ochladzovanie, ale aj to, prečo je slabšie nižšie v stratosfére a výraznejšie pri jej hornej hranici.
Chladnejšia stratosféra znamená silnejšie zadržiavanie tepla pri Zemi
Najzaujímavejšie zistenie sa týka spätnej väzby celého systému. Keď sa stratosféra ochladí, do vesmíru unikne menej infračerveného žiarenia. To znamená, že systém Zeme si celkovo zachová viac tepla.
Inými slovami, oxid uhličitý robí zo stratosféry lepší chladič, čo ju ochladí. Lenže pretože je chladnejšia, celý zemský systém nakoniec stratí do vesmíru menej tepla a otepľovanie sa posilní.
Podľa výpočtov vedcov zvyšuje chladenie stratosféry celkový otepľovací efekt oxidu uhličitého asi o 50 percent.
Jav predpovedali už pred desaťročiami, no až teraz vieme, čo ho presne riadi
Samotná myšlienka, že CO₂ môže ochladzovať stratosféru, nie je nová. Už v 60. rokoch ju ukázali klimatické modely Syukura Manabeho, ktorý za svoju prácu neskôr získal Nobelovu cenu. Modely teda trafili smer vývoja, no fyzikálne detaily zostávali dlho nejasné. Vedci vedeli, že stratosféra má pri raste CO₂ chladnúť, no nebolo úplne zrejmé, prečo má ochladenie práve takýto tvar a prečo silnie najmä vo vyšších častiach tejto vrstvy.
„Tento proces poznáme už viac než 50 rokov a približne sme rozumeli tomu, ako funguje. Chýbalo nám však pochopenie detailov, teda toho, čo ho v skutočnosti mechanicky riadi,“ vysvetľuje Sean Cohen.
Nová teória preto nerieši iba otázku, či sa stratosféra ochladzuje. Snaží sa vysvetliť, prečo sa ochladzuje nerovnomerne. V spodnej časti stratosféry je efekt slabší, no smerom k jej hornej hranici výrazne rastie. Pri zdvojnásobení koncentrácie CO₂ sa tak ochladenie naprieč stratosférou pohybuje približne od 0 do 8 stupňov Celzia, pričom najvyššie hodnoty sa týkajú jej vrchných oblastí.
Rovnako dôležité je aj to, že chladnejšia stratosféra mení energetickú bilanciu celej planéty. Keď je táto vrstva chladnejšia, vyžiari do vesmíru menej energie. Výsledkom je, že otepľovací účinok oxidu uhličitého sa podľa autorov zvyšuje približne o 50 percent. Nejde teda o vedľajšiu klimatickú zvláštnosť, ale o mechanizmus, ktorý priamo ovplyvňuje silu skleníkového efektu.
Štúdia zároveň ukazuje, že tento jav nemožno zjednodušiť na pravidlo, že každý skleníkový plyn s rastúcou koncentráciou automaticky ochladzuje hornú atmosféru rovnakým spôsobom. Rozhodujúca je konkrétna spektroskopia plynu, teda jeho schopnosť pohlcovať a vyžarovať žiarenie pri určitých vlnových dĺžkach. Práve v tomto má oxid uhličitý svoju špecifickú stopu.
