Styrken af ​​den globale stratosfæriske cirkulation målt for første gang

Når kommercielle fly bryder gennem skyerne for at nå marchhøjde, de er typisk ankommet til stratosfæren, det andet lag af Jordens atmosfære. Luften deroppe er tør og klar, og meget roligere end den turbulente atmosfære, vi oplever på jorden.

Og stadigvæk, for al dens tilsyneladende ro, stratosfæren kan være et kraftigt transportbånd, trække luft op fra Jordens ækvatoriale område og skubbe den tilbage ned mod polerne i et kontinuerligt cirkulerende mønster. Styrken af ​​denne cirkulation kan betydeligt påvirke mængden af ​​vanddamp, kemikalier, og ozon transporteres rundt på planeten.

Nu er forskere i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS) har for første gang bestemt styrken af ​​stratosfærens cirkulation, baseret på observationer af vigtige kemikalier, der bevæger sig inden for dette atmosfæriske lag.

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur Geovidenskab , holdet rapporterer, at stratosfæren trækker omkring 7 milliarder kilo luft op gennem troperne i sekundet, i hele verden, i omkring 20 kilometers højde. Forskerne vurderer, at den gennemsnitlige luftpakke kan tilbringe omkring 1,5 år i dette lag, før den cirkulerer tilbage til de lavere lag af atmosfæren.

Det nye skøn kan hjælpe forskere med at måle, hvor og hvor længe vanddamp, ozon, og drivhusgasser forbliver i stratosfæren. Forskere kan også bruge holdets metode til at bestemme fremtidige ændringer i stratosfærens styrke - essentiel information til at spore genopretningen af ​​ozonhullet og udviklingen af ​​den globale opvarmning.

Avisens hovedforfattere er Marianna Linz, en tidligere ph.d.-studerende i EAPS, som nu er postdoc ved University of California i Los Angeles; og Alan Plumb, en professor emeritus i EAPS; sammen med forskere fra New York University, Karlsruhe Teknologiske Institut, Nationalt Center for Atmosfærisk Forskning, Cambridge University, og Caltech.

Kemiske omgange

Cirkulationen af ​​stratosfæren er kendt af videnskabsmænd som den meridionale væltning, henviser til det mønster, hvori luft trækkes op i stratosfæren nær ækvator og transporteres langs Jordens meridianer, eller langsgående linjer, før de trækkes tilbage ved polerne. Forskere har forsøgt at måle styrken af ​​denne væltende cirkulation, hovedsageligt koncentreret om den hastighed, hvormed vanddamp stiger gennem stratosfæren nær ækvator.

"Andre har kigget på dette område af ækvator, hvor de tror, ​​at det meste kommer op, og de har forsøgt at karakterisere dette ved hjælp af vanddamp, " siger Linz. "Men det er bare at se på denne smalle region, og det er svært at udlede, hvordan resten af ​​cirkulationen ser ud."

Linz, lod, og deres kolleger tog en mere global tilgang, gør brug af atmosfæriske målinger af to atmosfæriske kemikalier, svovlhexafluorid og dinitrogenoxid, taget rundt i verden af ​​satellitter, vejr balloner, og fly. De anså disse kemikalier for at være ideelle kandidater til at spore, da de ikke har nogen "stratosfæriske dræn, " eller metoder, hvorved koncentrationen af ​​disse gasser ville ændre sig, når de nåede stratosfæren.

"Tanken er, at det, der går op, skal komme ned, " siger Linz.

Forskerne kompilerede målinger af begge kemikalier mellem 2007 og 2011, med ideen om at estimere, hvor lang tid det tog disse kemikalier at komme ind, gå derefter ud, stratosfæren. De gennemgik målingerne, noterer hvert kemikalies koncentrationer i givne luftpakker i hele stratosfæren
på forskellige steder og højder.

I særdeleshed, de så med tiden efter at identificere luftpakker, der steg op i troperne, og senere, luftpakker med samme koncentration af kemikalier, bliver trukket tilbage ved pælene.

De ræsonnerede, at tidsforskydningen mellem stigning og synkning ville indikere den tid, pakken tilbragte i stratosfæren. En simpel beregning, indregning af den samlede luftmasse i stratosfæren, ville give den hastighed, hvormed pakken rejste gennem stratosfæren, hvilket i det væsentlige afspejler cirkulationens styrke.

"Hvis du tænker på en racerbane, og nogen, der kører en omgang på den bane, du kan måle den tid, de kom ind på banen, og dengang de kom ud af det, og du kan beregne deres gennemsnitlige hastighed rundt på banen, hvis du kender sporafstanden, " Plumb forklarer. "Så det er sådan, på en måde."

Luften deroppe

Holdet udførte disse beregninger og tog gennemsnittet af resultaterne for forskellige højder i hele stratosfæren. Deres beregninger for begge kemikalier stemte næsten perfekt overens i lavere højder på omkring 20 kilometer, hvilket giver en cirkulationsstyrke på omkring 7 milliarder kilogram pr. sekund - sammenlignelig i størrelsesorden med styrken af ​​den væltende cirkulation i havet.

"Det vigtigste at vide med hensyn til påvirkning af klimaændringer og ozon er, hvordan denne cirkulationsstyrke er i denne lavere højde, fordi det er det, der leverer kemikalier til stratosfæren, " siger Plumb.

Linz og Plumb sammenlignede deres estimat med forudsigelser af stratosfærisk cirkulation lavet af flere klimamodeller, og fandt, at deres skøn stemte overens med nogle modeller, men ikke andre. Linz siger, at holdets nye skøn, og metoden til at beregne stratosfærens styrke, kan bidrage til at forbedre modelforudsigelser for opvarmning og ozonudvikling.

"Hvis klimamodeller får deres stratosfæriske cirkulation forkert, de får sandsynligvis deres ozonfordeling forkert, som vil have en klar indflydelse på, hvad de [forudsagte] tendenser er for global opvarmning, " siger Linz. "Så at have dette benchmark er virkelig værdifuldt."

Forskerne arbejder på at få flere målinger, højere i stratosfæren, for bedre at karakterisere stratosfærens styrke i højere højder såvel som inden for lavere lag.

"Vi har disse data og kan sige, hvad styrken er på dette niveau, men fordi vi ikke har dataene højere oppe, vi kan ikke sige nær så meget. Så vi har virkelig brug for bedre observationer i den øvre stratosfære, " siger Linz.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.