Sera Gazları Antarktika’da Mezosferi Soğutuyor

31 Temmuz 2020 Dergi:

Dünyanın yüzeyini ısıtan sera gazları, Antarktika'nın 90 kilometre yukarısındaki üst atmosferi (mezosfer) soğutuyor. Yeni yayınlanan araştırmalar, bu soğutma hızını kesin olarak ölçtü (gezegenin yüzeyindeki ortalama ısınmadan 10 kat daha hızlı) ve önemli bir keşif ortaya koydu: kutup atmosferinde yeni dört yıllık sıcaklık döngüsü…
Cosmos Dergisi, İrlanda Ulusal Üniversitesi Maynooth'tan Frank Mulligan ile araştırma yapan Avustralya Antarktik Bölümü'nden John French ve Andrew Klekociuk'a bazı sorular sordu.
Dünyayı ısıtan aynı süreç, bizden 100 kilometreden daha az mesafede yukarıda bulunan atmosferi soğutuyor. Bu nasıl oluyor?
Bu, karbondioksitin (CO2) kızılötesi radyasyonu emme, atmosferdeki gazlarla enerji alışverişi ve radyasyonu yeniden yayma yeteneği nedeniyle oluyor.
Güneş, dünyayı atmosfere nüfuz eden bir dizi güneş spektrumu dalga boyunda ısıtır: bazı dalga boyları ozon ve su buharı tarafından emilir. Isınan Dünya daha sonra bu enerjinin çoğunu uzun dalga (kızılötesi veya ısı) radyasyonu olarak yeniden yayar, aksi takdirde ısınmaya devam ederiz. Atmosferin çoğu (%78 azot,%21 oksijen) yeniden yayılan kızılötesi radyasyona karşı şeffafken, karbondioksit değildir ve radyasyonu emebilir.
CO2 molekülü, soğurulan bu enerjiye, radyasyonu her yöne tekrar yaymadan önce kısa bir süre - “radyasyon ömrü” kadar- dayanabilir. Bununla birlikte, yoğun düşük atmosferde, havadaki diğer moleküller (azot ve oksijen) ile çarpışabilir, çarpışmalarla enerji alışverişi yapabilir, böylece havanın kinetik enerjisini (yani sıcaklık) artırabilir. Bu küresel ısınmanın “sera etkisi”dir. CO2 esasen alt atmosferdeki diğer moleküllere daha fazla enerji aktarır.
Öte yandan, yoğunluğun çok düşük olduğu üst atmosferde, çarpışma şansı çok daha düşüktür, bu nedenle molekül uzaya emdiği enerjiyi daha etkili bir şekilde yayar ve bu bölgenin genel olarak soğumasına neden olur.
Artan CO2 ile her iki süreç de daha etkili olur: Alt atmosferde daha fazla ısınma, üst atmosferde daha fazla soğutma. CO2 konsantrasyonu, endüstri öncesi zamanlardaki 280 ppm ile karşılaştırıldığında milyonda 410’u aşmaktadır. Mevcut trendlerde, bu nesil, CO2 konsantrasyonunun son 800.000 yıl boyunca elde edilen maksimum seviyeye kıyasla iki katına çıkacağını görecek.
Avustralyalı bilim adamları Antarktika'yı 20 yıldan fazla bir süredir izliyor
Ölçtüğümüz spektrumu sürekli olarak analiz ediyoruz, sıcaklıkları türetmek için titizlikle kalibre ediyoruz, gece ve kış ortalamalarını hesaplıyoruz ve verilerin kalitesini doğrulamak için önceki yıllarla ve diğer ölçümlerle karşılaştırıyoruz.

Ölçtüğümüz sıcaklık değişimleri mevsimsel değişimler, 11 yıllık güneş döngüsü ve değişen atmosferik bileşime (sera gazları) verilen tepkilerdir. Katkıları her birinden ayırmak için bu yanıtları çözmemiz gerekiyor. Ortalama klimatolojiyi çıkartıyoruz ve güneş bileşenini çıkarmak için bir güneş etkinliği göstergesi (10.7cm güneş radyo akısı) kullanıyoruz. Geri kalanlara doğrusal bir uyum, uzun vadeli eğilimdir.
Daha önce, güneş döngüsü ve verilerdeki uzun vadeli eğilimler hakkında rapor vermiştik. Yeni makalelerimizin ilki bu eğilimlerin daha iyi bir şekilde güncellenmesidir.
Bunun üzerine, Dörtlü Dörtlü Salınım (QQO) olarak adlandırdığımız yeni dört yıllık döngü belirginleşti. Bir gözlemci olarak, neler olacağını tahmin etmeye yardımcı olmak için verilerde bazı kalıplar ararız. QQO'nun birkaç döngüsünün ardından genellikle daha sıcak ve daha soğuk yılları tahmin edebiliriz. Fakat QQO'yu, enstrümental bir anomaliden veya yerel bir etkiden kaynaklanmadığından emin olmak için, bağımsız verilerle doğrulamamız gerekiyordu.
Mezosferde, özellikle Antarktika'da çok uzun süreli sıcaklık ölçümleri yoktur. Son yıllarda iki uydu, atmosfer boyunca küresel sıcaklık ölçümleri sağlamıştır. Bunu sağlayan; NASA'nın Aura uydusundaki Mikrodalga Uzuv Sireni (MLS) ve NASA'nın TIMED uydusunda (Termosfer İyonosfer Mezosfer Enerjik Dinamikleri) SABER (Geniş Bant Emisyon Radyometrisi ile Atmosferin Sesi) adlı enstrümanlardır.
Bunların daha az yıllık ölçümleri olmasına rağmen, her iki uydu da son üç döngü boyunca QQO modelini doğruladı. İkinci makale QQO'nun özelliklerini, kapsamını ve kaynağını araştırmamızdır.
Sonuçlar sürpriz miydi?
Dört yıllık bir döngü bir sürpriz. Atmosfer birçok farklı döngüsel salınım geçirir. Bazıları yaz-kış mevsimsel döngüsü gibi açıktır, bazıları El Niño güney salınımı (ENSO) ve güneş döngüsü gibi oldukça iyi bilinir, bazıları ise Yarı-Bienal Salınımı (QBO; ekvatorda iki yıllık bir varyasyon gibi), Pasifik Decadal Salınımı (PDO) veya Güney Halka Şeklinde Mod (SAM) gibi daha az bilinir.
Dört yıllık bir döngü hava ve iklim modları açısından alışılmadık bir durumdur ve buna neden olan kaynağı veya mekanizmayı henüz tam olarak anlamıyoruz.
Endişelenmeli miyiz?
Bu Avustralya Antarktik Bölümü projesinin 25 yıllık süreci boyunca üst atmosferin üç derece Celsius soğumasını ölçtük. On yılda tutarlı bir 1.2 derece, iklim koşullarında büyük bir değişikliktir ve alt atmosferde ısınmaya neden olan aynı karbondioksit probleminin bir diğer belirtisidir. Eğilim mevcut hızda devam ederse, atmosfer 25 yıl sonra nasıl görünecek?

“Uzayın sınırında” meydana gelen soğutma hakkında konuşuyorsunuz. Bu önemli mi? Konum sürecin kendisi kadar önemli mi?
Süreç, küresel ısınmaya neden olan CO2 sonuçlarını göstermek açısından önemlidir. Örneğin güneşteki değişikliklerden dolayı dünyanın ısıtılması, üst atmosferde soğumaya yol açmaz.
Üst atmosfer, yüzeye daha yakın meydana gelen etkilerin bir çeşit "toplayıcısı" gibidir. Okyanuslarda çok fazla depolanmış enerji vardır ve bu, yüzeye yakın hava ve iklimde değişkenliği artırır. Bu değişkenliğin etkileri daha yüksek rakımlarda azalır ve daha uzun vadeli değişikliklerin daha net görülmesini sağlar.
Neyi ve nasıl izlersiniz ve bu kadar ayrıntılı bulguları nasıl elde edebilirsiniz?
Bu gözlemler, hidroksil ışınımının uzaktan algılanmasına dayanmaktadır. Bu ışık aurora'ya benzer, ancak üst atmosferdeki oksijen atomları ve azot molekülleri üzerinde yüklü parçacık etkisi ile üretilmek yerine, bir fotokimyasal reaksiyonla üretilir. Hidroksil ışınımı (airglow) aslında inanılmaz derecede parlak - bir auroradan yaklaşık beş kat daha parlak – ama spektrumun kızılötesi kısmında olduğu için göremiyoruz.
Antarktika'daki Davis Araştırma İstasyonundaki spektrometrelerimiz, kızıl ötesi bu emisyon hatlarının birçoğunu gözlemlemektedir. Basitçe söylemek gerekirse, spektrumdaki emisyon hatlarının nispi yükseklikleri, emisyon bölgesinin sıcaklığına bağlıdır - ancak sıcaklıkta saptayabileceğimiz, hava ışıltısının bir DNA parmak izi gibi…
Bu teknik, 1950'lerde hidroksil hava ışıltısının keşfedilmesinden sonra onlarca yıldır kullanılmaktadır. Bir spektrumu tarar ve gece saatlerinde yedi dakikada bir sıcaklık ölçümü elde ederiz. Tipik olarak, 25 yıl boyunca yılda 25.000 ölçüm yapılmıştır.
Enstrümanların dikkatli kalibrasyonu önemlidir. Aynı enstrümanı 25 yıl boyunca çalıştırmanın zorlukları vardır, ancak uzun vadeli değişiklikleri değerlendirirken enstrümantal değişiklikleri sıcaklık sonuçlarına entegre etmek istemiyoruz.
Proje aynı zamanda gece veya “gece parıldayan” bulutların izlenmesini de içeriyor. Bunlar nedir ve resmin neresindedir?
Noctilucent bulutları, yaklaşık 83 kilometre yükseklikte aşırı soğuk sıcaklıklarda (yaklaşık eksi 130 santigrat derece) oluşan aşırı derecede hafif, filamental, buz kristali bulutlarıdır. Atmosferdeki en yüksek bulutlardır ve sadece yaz aylarında yüksek enlemlerde mezopoz (mezosfer ile termosfer arasındaki sınır ve dünyanın herhangi bir yerindeki en soğuk bölge) yakınında meydana gelir. Mevsimsel sıcaklıklar, yaz kutbunda yükselme ve soğuma, kış kutbunda düşüş ve ısınma nedeniyle mezosferde ters çevrilir.
Güney Yarımkürede Noctilucent bulut manzaraları görüntüleri çok nadirdir, çünkü Güney Okyanusu'nda veya Antarktika'da çok fazla gözlemci yoktur. Koleksiyonumuzda John'un 1998'de Davis'te kaydettiği ilk görüntü ile Macquarie Adası'nda Ashleigh Wilson'ın bu yılki gözlemi arasında yaklaşık 10 gözlemci bulunuyor.
Bu bulutlar modern dünyanın bir fenomeni. Onların ilk tespiti, 1885 yılındaki  Krakatoa yanardağ patlaması ile üst atmosfere çok fazla su buharı nüfuz ettiği zamandı.
Bölgedeki CO2 soğutmasının bir sonucu olarak, nüktivatif bulutların oluşumunun hem parlaklık hem de boyut olarak artması beklenmektedir. 
Yeni bulguların küresel sonuçları var. Uluslararası bilim camiasının tepkisi ne oldu?
Bu bölgenin karbondioksit artışlarına soğuma etkisi Roble ve Dickinson tarafından 1989'da tahmin edildi. O zamandan beri, dünyadaki birçok laboratuvar bu tahmini test etmek için ölçümler yapıyor. Tahminleri kesin olarak ölçmek için gereken hassasiyetle veri elde etmek otuz yılı aldı.
QQO, atmosferden okyanuslara ve ayrıca Antarktika buzuna kadar çok çeşitli disiplinlerde iklim bilimcilerini ilgilendirecek. Makalelerimiz henüz yeni yayınlandığından, uluslararası topluluk henüz sonuçlarımızı değerlendiremedi, ancak zamanla bu özel konuyu araştıran ardıl çalışmalarını görmeyi umuyoruz.