Come l’anidride carbonica raffredda l’atmosfera superiore e riscalda la Terra sottostante

Nonostante l’aumento delle temperature sulla superficie terrestre e nella bassa atmosfera, l’atmosfera superiore del pianeta si è raffreddata drasticamente. Questo fenomeno paradossale è un segno ben noto dell’impatto dell’umanità sul clima, ma fino ad ora la fisica che lo sottende è rimasta un mistero.

Analizzando lo strano freddo sopra di noi

In un nuovo studio, i ricercatori della Columbia University descrivono i meccanismi del fenomeno, illustrando come esso sia in gran parte determinato dal modo in cui l’anidride carbonica (CO₂ ₎ interagisce con le diverse lunghezze d’onda della luce.

“Spiega un fenomeno che è una sorta di impronta digitale del cambiamento climatico, noto da decenni ma finora incompreso”, afferma Robert Pincus, professore ricercatore di fisica oceanica e climatica presso il Lamont-Doherty Earth Observatory, che fa parte della Columbia Climate School, e coautore dello studio pubblicato su Nature Geoscience .

Nella bassa atmosfera, le molecole di CO₂ _intrappolano il calore che altrimenti si disperderebbe nello spazio. Più in alto nell’atmosfera, però, la dinamica cambia.

Nella stratosfera, lo strato atmosferico che si estende da circa 11 km a 50 km sopra la superficie terrestre, le molecole di CO₂ _funzionano quasi come un radiatore, assorbendo energia infrarossa dal basso ed emettendone parte nello spazio. Quando viene aggiunta più CO₂ _, la stratosfera irradia calore in modo più efficiente e si raffredda.

Questo fenomeno era stato previsto negli anni ’60 dal climatologo Syukuro Manabe, vincitore del Premio Nobel, con i suoi modelli sul clima terrestre e sul riscaldamento globale indotto dalla CO₂ _. di origine antropica _{La stratosfera si è raffreddata di circa 2 gradi Celsius dalla metà degli anni ’80. Si stima che questo raffreddamento sia più di 10 volte superiore a quello che si sarebbe verificato in assenza di emissioni di CO₂} .

Costruire una teoria più chiara del raffreddamento

Tuttavia, sebbene i principi di base del raffreddamento stratosferico siano noti, i dettagli specifici rimangono ancora poco chiari. “La teoria esistente era incredibilmente illuminante, ma al momento ci manca una teoria quantitativa per il raffreddamento stratosferico indotto dalla CO2 _” , afferma Sean Cohen, ricercatore post-dottorato presso il Lamont-Doherty Earth Observatory, che fa parte della Columbia Climate School, e autore principale dello studio.

Cohen, Pincus e Lorenzo Polvani, geofisico del Dipartimento di Fisica Applicata e Matematica Applicata della Columbia Engineering, hanno sviluppato la loro teoria attraverso un metodo iterativo che prevedeva l’identificazione dei processi chiave coinvolti nel raffreddamento stratosferico, l’assegnazione di valori matematici a tali processi, il confronto dei risultati dei loro modelli cartacei con simulazioni complete e dati reali, la modifica delle equazioni e la ripetizione del processo. Nel corso di diversi mesi, hanno ricavato le equazioni che meglio si adattavano ai dati.

Come la CO2 _e la luce influenzano l’effetto

I ricercatori sono giunti a un fattore centrale: il modo in cui le molecole di CO₂ _{interagiscono} con la luce, e in particolare con la luce infrarossa, nota anche come luce a onda lunga.

Non tutte le lunghezze d’onda infrarosse le attraversano allo stesso modo. Alcune lunghezze d’onda contribuiscono al raffreddamento più di altre, e il team ha determinato che le lunghezze d’onda in una certa “zona ottimale” sono particolarmente efficienti. Con l’accumulo di CO₂ _{nell’atmosfera} , questa zona si espande.

“Sono questi cambiamenti di efficienza che, in definitiva, determineranno il raffreddamento della stratosfera”, afferma Cohen.

I ricercatori hanno anche quantificato il ruolo svolto dall’ozono e dal vapore acqueo. Questi sono implicati in processi simili a quelli della CO₂ _– anch’essi possono intrappolare il calore nella bassa atmosfera, ma contribuiscono al raffreddamento nella stratosfera irradiando calore – ma risultano avere un’influenza minore rispetto alla _CO₂ .

Cosa rivelano le equazioni sul clima

Le equazioni dei ricercatori si adattano a tre fenomeni ben descritti: come il raffreddamento stratosferico vari con l’altitudine, con il minimo raffreddamento al livello più basso e il massimo al livello più alto; come ogni raddoppio della CO₂ _si traduca in un raffreddamento di 8 gradi Celsius nella stratopausa, ovvero nella parte superiore della stratosfera; e come una stratosfera più fredda permetta a una minore quantità di energia infrarossa di disperdersi nello spazio, aumentando _{CO₂ .} l’effetto di intrappolamento del calore della

In altre parole: la CO₂ _rende la stratosfera più efficiente nell’irradiare calore, raffreddandola, ma poiché diventa più fredda, la Terra finisce per disperdere meno calore nello spazio, intensificando il riscaldamento al di sotto.

“Ecco un processo che conosciamo da oltre 50 anni e di cui avevamo una discreta comprensione qualitativa del funzionamento. Tuttavia, non comprendevamo i dettagli di ciò che effettivamente lo guidava a livello meccanicistico”, afferma Cohen.

Perché è importante per la Terra e non solo

Secondo Cohen e Pincus, le implicazioni di questo lavoro non riguardano tanto l’aggiunta di un’ulteriore prova a sostegno del riscaldamento globale – una realtà già evidente – quanto piuttosto lo sviluppo di una migliore comprensione dei meccanismi coinvolti nel raffreddamento stratosferico.

“Questo ci sta davvero rivelando cosa è essenziale”, afferma Pincus, e può fornire spunti per future ricerche sul processo. I risultati potrebbero anche aiutare gli scienziati che studiano le condizioni al di fuori della Terra.

“Forse potremo comprendere meglio cosa sta succedendo nelle stratosfere di altri pianeti del nostro sistema solare o di esopianeti”, afferma Cohen.

Il raffreddamento della stratosfera in risposta all’aumento della concentrazione di anidride carbonica è una traccia tangibile dell’influenza umana sul clima. Tuttavia, i meccanismi che controllano l’entità e la struttura verticale di questo raffreddamento non sono stati chiariti. In questo studio, utilizziamo modelli idealizzati di spettroscopia e trasferimento radiativo per spiegare la sensibilità della temperatura stratosferica alla concentrazione di anidride carbonica. Scopriamo che il raffreddamento stratosferico è principalmente determinato dalla distribuzione dei coefficienti di assorbimento di massa nella banda primaria dell’anidride carbonica ed è modulato dal raffreddamento a onda lunga del vapore acqueo e dell’ozono in altre parti dello spettro. Questi meccanismi spettrali spiegano perché la stratosfera si raffredda maggiormente in quota rispetto alla quota, perché ogni raddoppio dell’anidride carbonica produce un raffreddamento di circa 0-8 gradi Kelvin lungo lo spessore della stratosfera e perché il raffreddamento stratosferico aumenta il forzante radiativo dell’anidride carbonica in cima all’atmosfera di circa il 50%. Questa teoria implica che il raffreddamento stratosferico non sia una conseguenza fondamentale dell’aumento dello spessore ottico di un gas serra, ma piuttosto il risultato specifico della spettroscopia di tale gas.

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