De ingewikkelde manieren waarop waterdamp, ijskristallen en andere aërosolen in de atmosfeer van de aarde samenkomen, kunnen de algehele helderheid van de planeet dramatisch veranderen, waardoor een unieke signatuur ontstaat die vanuit de ruimte kan worden gedetecteerd. Dit signaal staat bekend als de planetaire emissievingerafdruk en zou klimaatwetenschappers niet alleen kunnen helpen de effecten van de opwarming van de aarde beter te observeren, maar zou op een dag ook kunnen worden gebruikt om de bewoonbaarheid van verre exoplaneten te beoordelen. Het begrijpen van de kenmerken ervan is echter een uitdaging, omdat planetaire emissies niet alleen worden bepaald door de totale hoeveelheid waterdamp, aërosolen en ijs in het tafereel – gezamenlijk bekend als relatieve vochtigheid – maar ook door de verticale structuur van de atmosfeer, die tot nu toe is moeilijk te meten geweest.

Nu heeft een team onder leiding van onderzoekers van de Britse Universiteit van Leicester en deelnemers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een manier gevonden om details van de verticale samenstelling van de atmosfeer van de aarde af te leiden uit passieve observaties. Hun methode omvat het uitvoeren van metingen op meerdere golflengten en combineert observaties op de grond met gegevens van NASA-satellieten, zoals de Atmospheric Infrared Sounder (AIRS). Het team, inclusief Brookhaven-atmosfeerwetenschapper Hang Sun, rapporteert hun bevindingen in het tijdschrift Geophysical Research Letters.

‘Het is bekend dat wolken en aerosolen invloed hebben op de helderheidstemperatuur van de atmosfeer. Maar om het klimaat te begrijpen – zowel vandaag de dag als op exoplaneten – moeten we ook de verticale verdeling van aerosolen en waterdamp begrijpen’, zegt Stephen. Engels van de School of Physics and Astronomy van de Universiteit van Leicester, hoofdauteur van het onderzoek. "Tot nu toe hebben we slechts een handvol momentopnamen gehad van actieve sensoren aan boord van satellieten die die informatie kunnen leveren. Passieve metingen bestrijken de hele aardbol veel gedetailleerder, maar ze missen de verticale structuur."

Dit team heeft een slimme oplossing gevonden die voortbouwt op eerder theoretisch werk van co-auteur Paul O. Wennberg, eveneens van de Universiteit van Leicester. Wanneer de atmosferische omstandigheden precies goed zijn – warm en vochtig, maar met een koel oppervlak – wordt de door het oppervlak van de planeet uitgezonden infraroodstraling bijna volledig geabsorbeerd door de lagere lagen van de atmosfeer. Naarmate de straling stijgt, komt een groot deel ervan vrij, en een deel komt helemaal de ruimte in. De overgebleven straling is het deel dat instrumenten op satellieten passief detecteren, en de spectrale signatuur ervan kan op subtiele wijze worden gewijzigd door de verticale structuur van de atmosfeer.

"Deze zeer warme en vochtige omstandigheden komen voor in tropische gebieden waar veel diepe convectie is", zei Sun. "Deze convectiepluimen zijn zeer efficiënt in het bevochtigen en afkoelen van de bovenste troposfeer, en dit verandert de verticale structuur van de atmosfeer."

Het team gebruikte twee golflengten – de ene zeer gevoelig voor waterdamp, de andere voor de gecombineerde impact van waterdamp en aerosolen – om omstandigheden te identificeren waarin ze de verticale structuur van de aardatmosfeer het beste vanuit de ruimte konden waarnemen. Ze ontdekten dat regio's die worden gedomineerd door diepe convectie kunnen worden gebruikt als "vensters" om de hogere delen van de atmosfeer te onderzoeken. Ze kunnen tegelijkertijd ook informatie verschaffen over het onderste deel van de atmosfeer, waardoor onderscheid kan worden gemaakt tussen waterdamp, wolken en aerosolen.

"Met deze methode kunnen we verticale profielen ophalen in zowel de bovenste troposfeer/lagere stratosfeer als de lagere troposfeer voor specifieke omstandigheden", aldus Sun. "Dit kan waardevolle informatie zijn voor klimaat- en aardesysteemmodellen."

Het team hoopt dat hun methode kan worden toegepast op waarnemingen van huidige en komende satellieten in een polaire baan om de verticale structuur van de atmosfeer van de aarde onder warme, vochtige omstandigheden over de hele wereld af te leiden. Naarmate de technologie zich blijft verbeteren, zou deze methode kunnen worden toegepast om potentiële tekenen van bewoonbaarheid op verre exoplaneten te detecteren.