Quando gli aerei commerciali sfondano le nuvole per raggiungere l'altitudine di crociera, sono tipicamente arrivati ​​nella stratosfera, il secondo strato dell'atmosfera terrestre. L'aria lassù è secca e limpida, e molto più calmo dell'atmosfera turbolenta che sperimentiamo a terra.

E ancora, per tutta la sua apparente tranquillità, la stratosfera può essere un potente nastro trasportatore, tirando l'aria verso l'alto dalla regione equatoriale della Terra e spingendola indietro verso i poli in uno schema a circolazione continua. La forza di questa circolazione può avere un impatto significativo sulla quantità di vapore acqueo, sostanze chimiche, e l'ozono trasportato in tutto il pianeta.

Ora gli scienziati del Dipartimento della Terra del MIT, Le scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) hanno determinato per la prima volta la forza della circolazione della stratosfera, sulla base delle osservazioni di sostanze chimiche chiave che viaggiano all'interno di questo strato atmosferico.

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Geoscienze naturali , il team riferisce che la stratosfera attira circa 7 miliardi di chilogrammi di aria attraverso i tropici al secondo, In tutto il mondo, ad un'altitudine di circa 20 chilometri. I ricercatori stimano che la particella media d'aria può trascorrere circa 1,5 anni all'interno di questo strato prima di tornare a circolare negli strati inferiori dell'atmosfera.

La nuova stima può aiutare gli scienziati a valutare dove e per quanto tempo il vapore acqueo, ozono, e i gas serra rimangono all'interno della stratosfera. Gli scienziati possono anche utilizzare il metodo del team per determinare i futuri cambiamenti nella forza della stratosfera, informazioni essenziali per monitorare il recupero del buco dell'ozono e la progressione del riscaldamento globale.

Gli autori principali del documento sono Marianna Linz, un ex studente di dottorato in EAPS che ora è postdoc presso l'Università della California a Los Angeles; e Alan Plumb, un professore emerito in EAPS; insieme ai ricercatori della New York University, Istituto di tecnologia di Karlsruhe, il Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica, Università di Cambridge, e Caltech.

giri chimici

La circolazione della stratosfera è nota agli scienziati come il ribaltamento meridionale, riferendosi allo schema in cui l'aria viene tirata su nella stratosfera vicino all'equatore e trasportata lungo i meridiani della Terra, o linee longitudinali, prima di essere riportato ai poli. Gli scienziati hanno tentato di misurare la forza di questa circolazione capovolta, concentrandosi principalmente sulla velocità con cui il vapore acqueo sale attraverso la stratosfera vicino all'equatore.

"Altri hanno guardato questa regione dell'equatore dove pensano che la maggior parte delle cose stia arrivando, e hanno cercato di caratterizzare questo usando il vapore acqueo, " dice Linz. "Ma questo è solo guardando questa regione ristretta, ed è difficile dedurre come si presenta il resto della circolazione".

Linz, piombo, e i loro colleghi hanno adottato un approccio più globale, facendo uso di misurazioni atmosferiche di due sostanze chimiche atmosferiche, esafluoruro di zolfo e protossido di azoto, presi in giro per il mondo dai satelliti, palloncini meteorologici, e aereo. Hanno considerato queste sostanze chimiche come i candidati ideali per monitorare, in quanto non hanno "pozzi stratosferici, " o metodi con cui la concentrazione di questi gas cambierebbe una volta raggiunta la stratosfera.

"Il pensiero è che ciò che sale deve scendere, "Dice Linz.

Gli scienziati hanno compilato misurazioni di entrambe le sostanze chimiche tra il 2007 e il 2011, con l'idea di stimare quanto tempo hanno impiegato queste sostanze chimiche ad entrare, poi esci, la stratosfera. Hanno abbattuto attraverso le misurazioni, annotare le concentrazioni di ciascuna sostanza chimica in determinati pacchi d'aria in tutta la stratosfera
a varie località e altitudini.

In particolare, hanno cercato nel tempo di identificare i pacchi d'aria che si alzavano ai tropici, e più tardi, pacchi d'aria con la stessa concentrazione di sostanze chimiche, essere riportato giù ai poli.

Hanno ragionato che il lasso di tempo tra l'innalzamento e l'affondamento indicherebbe il tempo che quel pacco ha trascorso nella stratosfera. Un semplice calcolo, tenendo conto della massa d'aria totale nella stratosfera, produrrebbe la velocità con cui quel pacco ha viaggiato attraverso la stratosfera, che riflette essenzialmente la forza della circolazione.

"Se pensi a una pista, e qualcuno che fa un giro su quella pista, puoi misurare il tempo in cui sono entrati in pista, e il tempo in cui ne sono usciti, e puoi calcolare la loro velocità media intorno alla pista se conosci la distanza della pista, " spiega Plumb. "Quindi è così, in un modo."

L'aria lassù

Il team ha eseguito questi calcoli e ha calcolato la media dei risultati per varie altitudini in tutta la stratosfera. I loro calcoli per entrambe le sostanze chimiche concordavano quasi perfettamente ad altitudini inferiori di circa 20 chilometri, producendo una forza di circolazione di circa 7 miliardi di chilogrammi al secondo, paragonabile in grandezza alla forza della circolazione rovesciata nell'oceano.

"La cosa più importante da sapere in termini di impatti sui cambiamenti climatici e sull'ozono è com'è questa forza di circolazione a questa quota più bassa, perché è questo che fornisce sostanze chimiche alla stratosfera, "Dice Piombo.

Linz e Plumb hanno confrontato la loro stima con le previsioni della circolazione stratosferica fatte da diversi modelli climatici, e ha scoperto che la loro stima concordava con alcuni modelli ma non con altri. Linz dice che la nuova stima del team, e il metodo per calcolare la forza della stratosfera, può aiutare a migliorare le previsioni dei modelli di riscaldamento e sviluppo dell'ozono.

"Se i modelli climatici stanno sbagliando la loro circolazione stratosferica, probabilmente stanno sbagliando la distribuzione dell'ozono, che avrà un impatto definito su quali sono le tendenze [previste] per il riscaldamento globale, " Linz dice. "Quindi avere questo punto di riferimento è davvero prezioso".

I ricercatori stanno lavorando per ottenere più misurazioni, più in alto nella stratosfera, per caratterizzare meglio la forza della stratosfera ad altitudini più elevate così come all'interno degli strati più bassi.

"Abbiamo questi dati e possiamo dire qual è la forza a questo livello, ma poiché non abbiamo i dati più in alto, non possiamo dire altrettanto. Quindi abbiamo davvero bisogno di osservazioni migliori nell'alta stratosfera, "Dice Linz.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.