Исследователи из Колумбийского университета (США) объяснили один из самых загадочных эффектов изменения климата — одновременное потепление у поверхности Земли и охлаждение её верхних слоёв атмосферы. Новая работа, опубликованная в журнале Nature Geoscience, уточняет роль углекислого газа в этом процессе и показывает, как именно он влияет на распределение тепла в атмосфере.
Парадокс глобального потепления
Несмотря на устойчивый рост температуры в нижних слоях атмосферы, стратосфера — область на высоте примерно от 11 до 50 километров — постепенно охлаждается. Учёные называют это давно наблюдаемым, но до конца не объяснённым климатическим феноменом. По словам профессора Роберта Пинкуса из Ламонт-Доэртийской обсерватории Земли, новое исследование помогает понять физический механизм явления, которое фиксируется десятилетиями.
Как CO₂ ведёт себя на разных высотах
Ключ к разгадке связан с тем, как молекулы углекислого газа взаимодействуют с инфракрасным излучением. У поверхности Земли CO₂ работает как «ловушка тепла»: он поглощает инфракрасное излучение, исходящее от Земли, и переизлучает его в разных направлениях, тем самым удерживая тепло в нижней атмосфере. Однако в разреженной стратосфере ситуация меняется. Там молекулы CO₂ с высокой вероятностью излучают энергию напрямую в космос, фактически выступая в роли «радиаторов», которые охлаждают атмосферу.
Почему верхние слои охлаждаются
Учёные объясняют, что при увеличении концентрации CO₂ этот эффект усиливается. В стратосфере становится более эффективным излучение тепла в космос, и в результате температура там снижается. С середины 1980-х годов стратосфера уже охладилась примерно на 2 °C. По оценкам исследователей, это более чем в десять раз превышает естественные колебания, которые могли бы происходить без антропогенных выбросов. Этот механизм был теоретически предсказан ещё в 1960-х годах в климатических моделях Сюкуро Манабэ, лауреата Нобелевской премии, однако количественное объяснение до сих пор оставалось неполным.
Новая теория и «оптимальная зона» излучения
Доктор Шон Коэн и его коллеги разработали уточнённую модель, используя итеративный подход: они анализировали процессы, задавали им математические параметры, сравнивали результаты с климатическими симуляциями и наблюдениями, после чего корректировали расчёты.
В результате учёные обнаружили важный фактор — не все длины волн инфракрасного излучения одинаково эффективно взаимодействуют с CO₂. Существует так называемая «оптимальная зона» длин волн, которые особенно эффективно способствуют охлаждению. По мере роста концентрации углекислого газа эта зона расширяется, усиливая способность стратосферы излучать тепло в космос.
«Именно эти изменения эффективности в конечном итоге приводят к охлаждению стратосферы», — пояснил доктор Коэн.
Роль других газов
В модель также были включены озон и водяной пар. Эти компоненты тоже участвуют в удержании тепла в нижних слоях атмосферы и способствуют охлаждению стратосферы. Однако, как показали расчёты, их влияние значительно слабее, чем влияние CO₂.
Как это влияет на климатическую систему Земли
Новая теория согласуется с уже известными наблюдениями. Охлаждение сильнее выражено на больших высотах, а удвоение концентрации CO₂ приводит к снижению температуры на верхней границе стратосферы примерно на 8 °C.
При этом возникает важный эффект обратной связи: более холодная стратосфера хуже пропускает инфракрасное излучение в космос, что усиливает удержание тепла в нижних слоях атмосферы и дополнительно способствует глобальному потеплению.
Значение открытия
По словам авторов исследования, их работа важна не только как подтверждение климатических моделей, но и как шаг к более глубокому пониманию процессов в атмосфере. Полученные результаты могут помочь улучшить прогнозы изменения климата на Земле, а также пригодиться при изучении атмосфер других планет, где углекислый газ играет аналогичную роль.
Таким образом, новое исследование уточняет один из ключевых механизмов современной климатической системы: CO₂ одновременно нагревает нижние слои атмосферы и охлаждает верхние, перераспределяя энергию Земли в космическое пространство.
