Почему накопление углекислого газа приводит к таким разным последствиям на разных высотах?
Хотя нагрев поверхности планеты является очевидным следствием человеческой деятельности, верхние слои атмосферы Земли демонстрируют драматическое охлаждение. Этот парадоксальный паттерн считается одним из "отпечатков пальцев" климатических изменений, однако до сих пор физические механизмы, стоящие за этим явлением, не были полностью понятными для научного сообщества, пишет 24 Канал.
Смотрите также Снежные вершины Гималаев меняют цвет: почему это очень плохая новость
В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Geoscience, ученые из Колумбийского университета подробно описали механику этого процесса, связанную с тем, как молекулы углекислого газа взаимодействуют с различными длинами волн света.
Это объясняет явление, которое является отражением климатических изменений, о котором известно уже десятилетиями, но которое не было понятным,
– прокомментировал Роберт Пинкус, профессор-исследователь физики океана и климата в Обсерватории Ламонт-Доэрти, что является частью Климатической школы Колумбийского университета.
В нижних слоях атмосферы молекулы углекислого газа удерживают тепло, которое в противном случае выходило бы в космос. Однако в стратосфере – слое атмосферы, простирающемся на высоте от 11 до 50 километров над поверхностью Земли – динамика в корне меняется.
Здесь углекислый газ начинает функционировать почти как радиатор: молекулы поглощают инфракрасную энергию снизу и излучают часть этой энергии непосредственно в космос. Когда концентрация CO2 растет, стратосфера начинает излучать тепло эффективнее, что приводит к ее охлаждению.
Этот эффект был предсказан еще в 1960-х годах климатологом Сюкуро Манабе, чьи модели климата Земли впоследствии принесли ему Нобелевскую премию. С середины 1980-х годов стратосфера уже охладилась примерно на 2 градуса Цельсия, что, по оценкам, в десять раз превышает уровень охлаждения, который мог бы произойти без влияния антропогенных выбросов.
Несмотря на то, что общие принципы были известны, ученым не хватало точных расчетов. Шон Коэн, постдокторский исследователь в Обсерватории Ламонт-Доэрти и ведущий автор исследования, объясняет: "Существующая теория была чрезвычайно проницательной, но нам не хватало количественной теории охлаждения стратосферы, вызванного CO2".
Команда разработала свою теорию, используя итеративный метод идентификации ключевых процессов, сравнивая результаты своих математических моделей с комплексными симуляциями и реальными данными.
Исследователи обнаружили, что центральным фактором является взаимодействие молекул углекислого газа с длинными волнами инфракрасного света. Не каждая длина волны проходит сквозь них одинаково: команда определила своеобразный аналог "зоны Золотоволоски", где волны особенно эффективны для охлаждения. По мере накопления газа в атмосфере эта зона расширяется.
Именно эти изменения в эффективности в конце концов будут тем, что движет охлаждением стратосферы,
– добавляет Шон Коэн.
Озон и водяной пар
Кроме того, ученые количественно оценили роль озона и водяного пара. Хотя они также могут удерживать тепло внизу и излучать его в стратосфере, выяснилось, что их влияние незначительно по сравнению с углекислым газом.
Уравнения, выведенные исследователями, подтверждают три явления:
- Охлаждение усиливается с высотой (меньше всего внизу стратосферы, больше всего – на ее верхней границе).
- Каждое удвоение концентрации CO2 приводит к снижению температуры на 8 градусов Цельсия в верхних слоях стратосферы.
- Более холодная стратосфера позволяет меньшему количеству инфракрасной энергии выходить в космос.
Последний пункт создает опасный цикл: стратосфера становится лучшим излучателем и охлаждается, но Земля в целом теряет меньше тепла.
Это усиливает тепловой эффект углекислого газа в нижних слоях атмосферы, увеличивая радиационное воздействие примерно на 50 процентов.
Что это нам дает?
Полученные результаты не только помогают лучше понять климат нашей планеты, но и могут быть полезными для изучения атмосфер других планет Солнечной системы или экзопланет, пишет 24 Канал. Как заметил Шон Коэн, возможно, мы сможем лучше понять, что происходит в стратосферах других планет.
Это охлаждение стратосферы не является локальной мелочью. Оно меняет поведение атмосферной циркуляции и реактивных потоков – узких быстрых потоков воздуха на высоте примерно 7 – 13 километров. Реактивные потоки формируются из-за разницы температур между полярными регионами и экватором. Когда Арктика нагревается быстрее других частей планеты, этот температурный контраст ослабевает. Поэтому реактивные потоки могут становиться медленнее, волнистыми и менее стабильными, как выяснили ученые в исследовании, которое опубликовали в журнале Nature в 2025 году.
Когда реактивный поток начинает сильнее "извиваться", погодные системы могут дольше зависать над определенными регионами. Именно это связывают с затяжными волнами жары, длительными засухами, сильными ливнями и наводнениями. Например, если область высокого давления надолго блокируется над регионом, там может продолжаться аномальная жара. Если же над местностью застаивается циклон, возникают многодневные дожди и наводнения.
Вам также будет интересно узнать: что такое стратосфера?
Стратосфера – это второй слой атмосферы Земли, который расположен над тропосферой. Она начинается примерно на высоте 10 – 15 километров над поверхностью планеты и простирается до около 50 километров. Именно в стратосфере находится озоновый слой, который поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому температура в стратосфере ведет себя иначе, чем в нижнем слое атмосферы. Если в тропосфере температура с высотой снижается, то в стратосфере – наоборот постепенно повышается из-за нагрева озоном.
Стратосфера значительно суше и стабильнее тропосферы. Здесь почти не образуются облака и не возникают обычные погодные явления вроде дождей или гроз. Именно из-за стабильности воздуха коммерческие самолеты часто летают у нижней границы стратосферы, где меньше турбулентности.
В то же время этот слой атмосферы имеет огромное влияние на климатическую систему Земли, циркуляцию воздуха и поведение реактивных потоков. Исследования также показывают, что из-за изменения климата стратосфера постепенно сжимается, пишет профильный ресурс агентства NOAA Climate.gov.
Как углекислый газ влияет на климат и потепление?
Углекислый газ, или CO2, является одним из главных парниковых газов в атмосфере. Его особенность заключается в способности поглощать инфракрасное тепловое излучение, которое Земля излучает после нагревания Солнцем. Часть этого тепла задерживается в атмосфере и повторно возвращается к поверхности планеты. Именно так работает естественный парниковый эффект, без которого средняя температура Земли была бы ниже точки замерзания воды, пишет NASA Science.
Проблема заключается в том, что человечество резко увеличило концентрацию CO2 из-за сжигания угля, нефти и природного газа. По данным NASA, за менее чем 200 лет содержание углекислого газа в атмосфере выросло примерно на 50%. В 2026 году концентрация CO2 уже превысила 429 частей на миллион, что является одним из самых высоких показателей за сотни тысяч лет. Из-за этого нижние слои атмосферы и поверхность Земли нагреваются.
Отдельную роль играют внезапные стратосферные потепления – явления, когда температура в полярной стратосфере за короткое время резко повышается. Такие события могут ослаблять или даже разрушать полярный вихрь – огромную систему холодного воздуха над Арктикой. После этого холодный арктический воздух иногда прорывается далеко на юг, вызывая сильные зимние морозы в Северной Америке, Европе или Азии, пишет The Washington Post.
Климатологи до сих пор исследуют, насколько прямо глобальное потепление влияет на частоту таких событий. Часть моделей показывает сложную и неоднозначную связь. Но все больше работ свидетельствуют, что изменения в стратосфере, ослабление температурных контрастов и изменения поведения реактивных потоков могут повышать вероятность экстремальной погоды и делать ее более длительной.