Wanneer commerciële vliegtuigen door de wolken breken om kruishoogte te bereiken, ze zijn meestal in de stratosfeer aangekomen, de tweede laag van de aardatmosfeer. De lucht daarboven is droog en helder, en veel rustiger dan de turbulente atmosfeer die we op de grond ervaren.

En toch, voor al zijn schijnbare rust, de stratosfeer kan een krachtige transportband zijn, lucht uit het equatoriale gebied van de aarde omhoog trekken en terug naar beneden duwen naar de polen in een continu circulerend patroon. De sterkte van deze circulatie kan de hoeveelheid waterdamp aanzienlijk beïnvloeden, Chemicaliën, en ozon rond de planeet getransporteerd.

Nu wetenschappers van het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS) hebben voor het eerst de sterkte van de circulatie in de stratosfeer bepaald, gebaseerd op waarnemingen van belangrijke chemicaliën die door deze atmosferische laag reizen.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur Geowetenschappen , het team meldt dat de stratosfeer ongeveer 7 miljard kilogram lucht per seconde door de tropen trekt, wereldwijd, op een hoogte van ongeveer 20 kilometer. De onderzoekers schatten dat het gemiddelde pakketje lucht ongeveer 1,5 jaar in deze laag kan blijven voordat het weer naar de lagere lagen van de atmosfeer circuleert.

De nieuwe schatting kan wetenschappers helpen meten waar en hoe lang waterdamp, ozon, en broeikasgassen blijven in de stratosfeer. Wetenschappers kunnen de methode van het team ook gebruiken om toekomstige veranderingen in de sterkte van de stratosfeer te bepalen - essentiële informatie voor het volgen van het herstel van het ozongat en de voortgang van de opwarming van de aarde.

De hoofdauteurs van het artikel zijn Marianna Linz, een voormalig promovendus bij EAPS die nu een postdoc is aan de Universiteit van Californië in Los Angeles; en Alan Plumb, emeritus hoogleraar EAPS; samen met onderzoekers van de New York University, Karlsruhe Instituut voor Technologie, het Nationaal Centrum voor Atmosferisch Onderzoek, Cambridge Universiteit, en Caltech.

Chemische ronden

De circulatie van de stratosfeer staat bij wetenschappers bekend als de meridionale omkering, verwijzend naar het patroon waarin lucht wordt opgetrokken in de stratosfeer nabij de evenaar en langs de meridianen van de aarde wordt getransporteerd, of langslijnen, voordat ze weer naar beneden worden getrokken bij de palen. Wetenschappers hebben geprobeerd de kracht van deze omslaande circulatie te meten, voornamelijk gericht op de snelheid waarmee waterdamp door de stratosfeer nabij de evenaar opstijgt.

"Anderen hebben naar dit gebied van de evenaar gekeken waar ze denken dat de meeste dingen naar boven komen, en ze hebben geprobeerd dit te karakteriseren met waterdamp, " zegt Linz. "Maar dat is gewoon kijken naar dit smalle gebied, en het is moeilijk om af te leiden hoe de rest van de circulatie eruit ziet."

Linz, schietlood, en hun collega's kozen voor een meer globale aanpak, gebruikmakend van atmosferische metingen van twee atmosferische chemicaliën, zwavelhexafluoride en lachgas, door satellieten de wereld rondgereisd, weer ballonnen, en vliegtuigen. Ze beschouwden deze chemicaliën als ideale kandidaten om op te sporen, omdat ze geen "stratosferische putten hebben, " of methoden waarmee de concentratie van deze gassen zou veranderen zodra ze de stratosfeer bereikten.

"De gedachte is dat wat omhoog gaat, naar beneden moet komen, ' zegt Linz.

De wetenschappers verzamelden metingen van beide chemicaliën tussen 2007 en 2011, met het idee om te schatten hoe lang het duurde voordat deze chemicaliën binnenkwamen, ga dan weg, de stratosfeer. Ze hebben de metingen doorgenomen, het noteren van de concentraties van elke chemische stof in bepaalde luchtpakketten in de stratosfeer
op verschillende locaties en hoogtes.

Vooral, ze keken in de tijd om luchtpakketten te identificeren die opstijgen in de tropen, en later, luchtpakketten met dezelfde concentratie chemicaliën, aan de palen weer naar beneden getrokken.

Ze redeneerden dat het tijdsverschil tussen het stijgen en dalen de tijd zou aangeven dat het pakket in de stratosfeer doorbracht. Een simpele rekensom, rekening houdend met de totale luchtmassa in de stratosfeer, zou de snelheid opleveren waarmee dat pakket door de stratosfeer reisde, die in wezen de kracht van de circulatie weerspiegelt.

"Als je denkt aan een racebaan, en iemand die een rondje op die baan doet, je kunt de tijd meten dat ze de track binnenkwamen, en de tijd dat ze eruit kwamen, en je kunt hun gemiddelde snelheid rond de baan berekenen als je de afstand van de baan kent, "Plumb legt uit. "Dus dit is zo, op een manier."

De lucht daarboven

Het team voerde deze berekeningen uit en nam het gemiddelde van de resultaten voor verschillende hoogten in de stratosfeer. Hun berekeningen voor beide chemicaliën kwamen bijna perfect overeen op lagere hoogten van ongeveer 20 kilometer, wat een circulatiekracht oplevert van ongeveer 7 miljard kilogram per seconde - vergelijkbaar in grootte met de kracht van de omvallende circulatie in de oceaan.

"Het belangrijkste om te weten in termen van effecten op klimaatverandering en ozon is hoe deze circulatiesterkte is op deze lagere hoogte, want dat is wat chemicaliën aan de stratosfeer levert, ' zegt Plumb.

Linz en Plumb vergeleken hun schatting met voorspellingen van de stratosferische circulatie gemaakt door verschillende klimaatmodellen, en ontdekten dat hun schatting overeenkwam met sommige modellen, maar niet met andere. Linz zegt dat de nieuwe schatting van het team, en de methode om de sterkte van de stratosfeer te berekenen, kan helpen om modelvoorspellingen van opwarming en ozonontwikkeling te verbeteren.

"Als klimaatmodellen hun stratosferische circulatie verkeerd krijgen, ze hebben waarschijnlijk hun ozonverdeling verkeerd, die duidelijke gevolgen zullen hebben voor wat de [voorspelde] trends zijn voor de opwarming van de aarde, "Zegt Linz. "Dus het hebben van deze benchmark is echt waardevol."

De onderzoekers werken aan meer metingen, hoger in de stratosfeer, om de sterkte van de stratosfeer op grotere hoogten en in lagere lagen beter te karakteriseren.

"We hebben deze gegevens en kunnen zeggen wat de kracht is op dit niveau, maar omdat we de gegevens niet hoger hebben, we kunnen bijna niet zoveel zeggen. We hebben dus echt betere waarnemingen nodig in de bovenste stratosfeer, ' zegt Linz.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.