Ученые раскрыли механизм охлаждения стратосферы из-за CO₂

Ученые выяснили, почему верхние слои атмосферы Земли охлаждаются, в то время как поверхность планеты продолжает нагреваться. Разгадка кроется во взаимодействии углекислого газа с «зоной Златовласки» инфракрасного света, которая позволяет стратосфере более эффективно излучать тепло. (Вид Земли, сделанный во время 66-й экспедиции на МКС). Источник: NASA

В то время как поверхность Земли и нижние слои атмосферы продолжают нагреваться, другая часть атмосферы планеты ведет себя противоположным образом. Далеко над землей верхние слои атмосферы значительно охлаждаются на протяжении десятилетий. Ученые давно признали этот необычный контраст одним из самых явных признаков вызванного человеком изменения климата, однако точная физика этого процесса оставалась неясной.

Теперь исследователи из Колумбийского университета заявляют, что наконец раскрыли механизм, ответственный за это явление. Их новое исследование объясняет, как углекислый газ (CO₂) взаимодействует с различными длинами волн света, охлаждая верхние слои атмосферы и одновременно нагревая планету внизу.

«Это объясняет явление, которое является отпечатком изменения климата, известно уже несколько десятилетий, но до сих пор не было понято», — говорит Роберт Пинкус, профессор-исследователь физики океана и климата в Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти, входящей в состав Колумбийской климатической школы, и соавтор исследования, опубликованного в журнале Nature Geoscience.

Почему CO₂ охлаждает стратосферу

Вблизи поверхности Земли CO₂ удерживает тепло, которое в противном случае улетучилось бы в космос, способствуя глобальному потеплению. Однако в верхних слоях атмосферы условия совершенно иные.

В стратосфере — слое атмосферы, простирающемся примерно от 11 до 50 км над поверхностью Земли, — CO₂ ведет себя скорее как система охлаждения. Молекулы поглощают инфракрасную энергию, поднимающуюся снизу, а затем высвобождают часть этой энергии обратно в космос. По мере увеличения уровня CO₂ в атмосфере стратосфера становится еще более эффективной в отводе тепла, вызывая падение температуры.

Ученые впервые предсказали этот эффект в 1960-х годах с помощью климатических моделей, разработанных климатологом Сюкуро Манабэ, чья работа позже была удостоена Нобелевской премии. С середины 1980-х годов стратосфера охладилась примерно на 2 градуса Цельсия. Исследователи подсчитали, что это охлаждение более чем в 10 раз сильнее, чем было бы без антропогенных выбросов CO₂.

Хотя ученые понимали общую идею охлаждения стратосферы, многие детальные процессы оставались невыясненными.

«Существующая теория была невероятно проницательной, но на данный момент нам не хватает количественной теории охлаждения стратосферы, вызванного CO₂», — говорит Шон Коэн, научный сотрудник-постдокторант Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти, входящей в состав Колумбийской климатической школы, и ведущий автор исследования.

«Зона Златовласки» инфракрасного света

Чтобы решить эту загадку, Коэн работал с Пинкусом и Лоренцо Польвани, геофизиком из Департамента прикладной физики и прикладной математики инженерной школы Колумбийского университета. Команда построила математические модели, которые определили основные процессы, движущие охлаждением стратосферы. Они многократно сравнивали свои расчеты с климатическими симуляциями и наблюдательными данными, уточняя уравнения в течение нескольких месяцев, пока модели не совпали с реальностью.

Их исследование указало на ключевой фактор: способ взаимодействия молекул CO₂ с инфракрасным светом, также известным как длинноволновое излучение.

Не все инфракрасные длины волн ведут себя в атмосфере одинаково. Исследователи обнаружили, что некоторые длины волн особенно эффективно способствуют охлаждению. Они описали этот высокоэффективный диапазон как «зону Златовласки». По мере увеличения концентрации CO₂ эта зона расширяется, повышая эффективность охлаждения атмосферы.

«Именно эти изменения эффективности в конечном итоге будут движущей силой охлаждения стратосферы», — говорит Коэн.

Исследователи также изучили влияние озона и водяного пара. Хотя оба могут влиять на процессы нагрева и охлаждения в атмосфере, их воздействие на охлаждение стратосферы оказалось относительно небольшим по сравнению с CO₂.

Как охлаждение стратосферы усиливает потепление внизу

Уравнения команды успешно воспроизвели несколько известных особенностей атмосферы. Они совпали с наблюдениями, показывающими, что охлаждение усиливается с высотой, причем наибольшее охлаждение происходит вблизи верхней границы стратосферы. Расчеты также подтвердили, что каждое удвоение концентрации CO₂ приводит к охлаждению примерно на 8 градусов Цельсия на стратопаузе — верхней границе стратосферы.

Исследование также подчеркивает важную климатическую обратную связь. Хотя увеличение CO₂ помогает стратосфере более эффективно излучать тепло, результирующие более низкие температуры означают, что земная система в целом высвобождает в космос меньше инфракрасной энергии. Это усиливает удержание тепла вблизи поверхности, интенсифицируя потепление в нижних слоях атмосферы.

«Вот процесс, о котором мы знаем уже более 50 лет, и у нас было довольно приличное качественное понимание того, как он работает. Однако мы не понимали деталей того, что на самом деле механистически движет этим процессом», — говорит Коэн.

По словам Коэна и Пинкуса, исследование направлено не столько на доказательство существования изменения климата, сколько на улучшение научного понимания того, как работает атмосфера.

«Это действительно говорит нам о том, что является существенным», — говорит Пинкус.

Полученные результаты могут найти применение и за пределами Земли. Исследователи говорят, что те же принципы могут помочь ученым лучше понять атмосферы других планет и далеких экзопланет.

«Возможно, мы сможем лучше понять, что происходит в стратосферах других планет нашей Солнечной системы или экзопланет», — говорит Коэн.

Источники:

Материалы предоставлены Колумбийской климатической школой.

Шон Коэн, Роберт Пинкус, Лоренцо М. Польвани. Стратосферное охлаждение и усиление радиационного воздействия с ростом концентрации углекислого газа. Nature Geoscience, 2026; 19 (5): 507 DOI: 10.1038/s41561-026-01965-8