Atmosfærens emissionsfingeraftryk påvirkes af, hvordan skyer stables

De indviklede måder, som vanddamp, iskrystaller og andre aerosoler kombinerer i Jordens atmosfære, kan dramatisk ændre planetens overordnede lysstyrke og skabe en unik signatur, der kan detekteres fra rummet. Kendt som det planetariske emissionsfingeraftryk, kan dette signal ikke kun hjælpe klimaforskere til bedre at observere virkningerne af global opvarmning, men det kan også en dag blive brugt til at vurdere beboeligheden af ​​fjerne exoplaneter. Det er imidlertid en udfordring at forstå dens karakteristika, fordi planetariske emissioner ikke kun bestemmes af den samlede mængde vanddamp, aerosoler og is i scenen – samlet kendt som relativ fugtighed – men også af atmosfærens vertikale struktur, som indtil nu har været svær at måle.

Nu har et hold ledet af forskere fra U.K.'s University of Leicester og involverende deltagere fra US Department of Energy's (DOE's) Brookhaven National Laboratory identificeret en måde at udlede detaljer om den vertikale sammensætning af Jordens atmosfære fra passive observationer. Deres metode går ud på at lave målinger fra flere bølgelængder og kombinerer jordbaserede observationer med data fra NASA-satellitter, såsom Atmospheric Infrared Sounder (AIRS). Holdet, herunder Brookhaven atmosfærisk videnskabsmand Hang Sun, rapporterer deres resultater i tidsskriftet Geophysical Research Letters.

"Det er velkendt, at skyer og aerosoler har en indflydelse på atmosfærens lysstyrketemperatur. Men for at forstå klimaet – enten nutidens eller på exoplaneter – er vi også nødt til at forstå den vertikale fordeling af aerosoler og vanddamp," sagde Stephen Engelsk fra University of Leicester's School of Physics and Astronomy, hovedforfatter af undersøgelsen. "Indtil nu har vi kun haft en håndfuld snapshots fra aktive sensorer ombord på satellitter, der kan give den information. Passive målinger dækker hele kloden meget mere detaljeret, men de savner den lodrette struktur."

Dette hold fandt en smart løsning, der trækker på tidligere teoretisk arbejde udført af medforfatter Paul O. Wennberg, også fra University of Leicester. Når de atmosfæriske forhold er helt rigtige - varme og fugtige, men med en kølig overflade - absorberes infrarød stråling, der udsendes af planetens overflade, næsten fuldstændigt af atmosfærens lave lag. Når strålingen stiger, frigives meget af den, og noget kommer helt ud i rummet. Den resterende stråling er den del, som instrumenter, der sidder på satellitter, passivt registrerer, og dens spektrale signatur kan subtilt ændres af atmosfærens lodrette struktur.

"Disse meget varme og fugtige forhold sker over tropiske områder, hvor der er meget dyb konvektion," sagde Sun. "Disse konvektionsfaner er meget effektive til at fugte og afkøle den øvre troposfære, og dette ændrer den lodrette struktur af atmosfæren."

Holdet brugte to bølgelængder - den ene meget følsom over for vanddamp, den anden over for den kombinerede påvirkning af vanddamp og aerosoler - for at identificere forhold, hvor de bedst kunne observere den lodrette struktur af Jordens atmosfære fra rummet. De fandt ud af, at områder domineret af dyb konvektion kan bruges som "vinduer" til at undersøge de højere dele af atmosfæren. De kan også give information om den nederste del af atmosfæren på samme tid og hjælpe med at skelne mellem vanddamp, skyer og aerosoler.

"Med denne metode kan vi hente vertikale profiler i både den øvre troposfære/nedre stratosfære og nedre troposfære til specifikke forhold," sagde Sun. "Dette kan være værdifuld information til klima- og jordsystemmodeller."

Holdet håber, at deres metode kan anvendes på observationer foretaget af nuværende og kommende polar-kredsende satellitter for at udlede den lodrette struktur af Jordens atmosfære under varme, fugtige forhold over hele kloden. Efterhånden som teknologien fortsætter med at forbedre sig, kan denne metode anvendes til at opdage potentielle tegn på beboelighed på fjerne exoplaneter.