De opbouw van de atmosfeer (afb: WikiMedia Commons)

Terwijl het aardoppervlak opwarmt, koelt de bovenste atmosfeer snel af. Onderzoekers ontdekten dat koolstofdioxide zich heel anders gedraagt ​​hoog boven de aarde, waar het gas juist helpt om warmte de ruimte in te stralen in plaats van deze vast te houden. Ze ontdekten dat bepaalde infrarood(=warmte)golflengten zich in de zogeheten leefbare zone bevinden die steeds effectiever wordt naarmate de CO₂-concentratie stijgt, waardoor de afkoeling in de stratosfeer (hoger dan 10 tot 17 km boven het aardoppervlak) versnelt.
Dat dat zo was was al bekend, maar hoe dat kwam nog niet. Nu denken onderzoekers van de Columbiauniversiteit in New York dat ze eindelijk het hoe hebben ontdekt. ​​Volgens hen reageert kooldioxide met verschillende golflengten van licht op een manier die de bovenste atmosfeer afkoelt, terwijl de planeet eronder opwarmt.
“Het verklaart een fenomeen dat kenmerkend is voor klimaatverandering, waarvan al decennia bekend is dat het voorkomt, maar dat tot nu toe niet begrepen werd,” zegt Robert Pincus.
Vlak bij het aardoppervlak houdt CO₂ warmte vast die anders de ruimte in zou ontsnappen, wat bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Maar de omstandigheden zijn heel anders hoger in de atmosfeer. In de stratosfeer gedraagt CO₂ zich meer als een koelsysteem. De moleculen absorberen infraroodenergie die van onderaf opstijgt en geven een deel van die energie weer af aan de ruimte. Naarmate de CO₂-concentratie in de atmosfeer toeneemt, wordt de stratosfeer nog effectiever in het afvoeren van warmte, waardoor de temperaturen daar dalen.

Wetenschappers voorspelden dit effect voor het eerst in de jaren ’60 met behulp van klimaatmodellen ontwikkeld door klimatoloog Syukuro Manabe, die daar later een Nobelprijs voor zou krijgen. Sinds het midden van de jaren ’80 is de stratosfeer met ongeveer 2°C afgekoeld. Onderzoekers schatten dat deze afkoeling meer dan tien keer groter is dan zonder de door de mens veroorzaakte kooldioxideuitstoot.

Hoewel wetenschappers het algemene idee achter de afkoeling van de stratosfeer begrepen, bleven veel van de gedetailleerde processen onopgelost. “De bestaande theorie was ongelooflijk inzichtrijk, maar het ontbrak ons aan een kwantitatieve theorie voor CO₂-geïnduceerde afkoeling van de stratosfeer”, zegt hoofdauteur Sean Cohen.

Leefbare zone

Om de puzzel op te lossen ontwikkelden de onderzoekers rekenmodellen die de belangrijkste processen neenemen die zorgen voor de afkoeling van de stratosfeer. Ze vergeleken hun berekeningen herhaaldelijk met klimaatsimulaties en observatiegegevens en verfijnden de modellen tot ze overeenkwamen met de metingen.
Hun onderzoek wees uit hoe CO₂-moleculen reageren op infrarood licht. Niet alle infraroodgolflengten gedragen zich hetzelfde in de atmosfeer. De onderzoekers ontdekten dat sommige golflengten bijzonder effectief zijn in het bevorderen van afkoeling.
Ze beschreven dit zeer efficiënte bereik als een leefbare zone (ook wel Goldilockzone genoemd). Naarmate de CO2-concentraties stijgen, wordt deze zone breder, waardoor de afkoelingsefficiëntie van de atmosfeer toeneemt. Cohen: “Het zijn die veranderingen in efficiëntie die uiteindelijk de afkoeling van de stratosfeer veroorzaken.”
De onderzoekers onderzochten ook de effecten van ozon en waterdamp. Hoewel beide de verwarmings- en afkoelingsprocessen in de atmosfeer kunnen beïnvloeden, bleek hun invloed op de afkoeling van de stratosfeer relatief klein te zijn in vergelijking met die van kooldioxide.

De onderzoekers reproduceerden met hun rekenmodellen met succes verschillende bekende kenmerken van de atmosfeer. Ze kwamen overeen met waarnemingen die aantonen dat afkoeling van de stratosfeer de opwarming eronder versterkt. De warmteoverdracht wordt sterker met de hoogte, waarbij de grootste afkoeling plaatsvindt nabij de top van de stratosfeer (op zo’n 50 km hoogte).

Verdubbeling

De berekeningen bevestigden ook dat elke verdubbeling van CO₂-concentratie leidt tot een afkoeling van ongeveer 8°C in de stratopauze (zie afb), de bovenste grens van de stratosfeer.
Hoewel een verhoogde kooldioxideconcentratie de stratosfeer helpt om warmte effectiever uit te stralen, betekenen de resulterende lagere temperaturen dat het aardesysteem uiteindelijk minder infraroodenergie de ruimte in stuurt. Dat versterkt de warmteopslag dichter bij het aardoppervlak, waardoor de opwarming in de lagere atmosfeer intensiever wordt.

De bevindingen zouden ook toepassingen buiten de aarde kunnen hebben. Onderzoekers zeggen dat dezelfde principes wetenschappers kunnen helpen de atmosferen van andere planeten en verre exoplaneten beter te begrijpen. Cohen: “Misschien kunnen we beter begrijpen wat er gebeurt in de stratosferen van andere planeten in ons zonnestelsel of exoplaneten.”

Bron: Science Daily