Температурний парадокс: чому парникові гази водночас гріють і охолоджують планету

Чому накопичення вуглекислого газу призводить до таких різних наслідків на різних висотах?

Хоча нагрівання поверхні планети є очевидним наслідком людської діяльності, верхні шари атмосфери Землі демонструють драматичне охолодження. Цей парадоксальний патерн вважається одним із "відбитків пальців" кліматичних змін, проте досі фізичні механізми, що стоять за цим явищем, не були повністю зрозумілими для наукової спільноти, пише 24 Канал.

У новому дослідженні, результати якого опубліковані в журналі Nature Geoscience, вчені з Колумбійського університету детально описали механіку цього процесу, пов'язану з тим, як молекули вуглекислого газу взаємодіють з різними довжинами хвиль світла.

Це пояснює явище, яке є відбитком кліматичних змін, про яке відомо вже десятиліттями, але яке не було зрозумілим,
– прокоментував Роберт Пінкус, професор-дослідник фізики океану та клімату в Обсерваторії Ламонт-Доерті, що є частиною Кліматичної школи Колумбійського університету.

У нижніх шарах атмосфери молекули вуглекислого газу утримують тепло, яке в іншому випадку виходило б у космос. Проте у стратосфері – шарі атмосфери, що простягається на висоті від 11 до 50 кілометрів над поверхнею Землі – динаміка докорінно змінюється.

Тут вуглекислий газ починає функціонувати майже як радіатор: молекули поглинають інфрачервону енергію знизу і випромінюють частину цієї енергії безпосередньо в космос. Коли концентрація CO₂ зростає, стратосфера починає випромінювати тепло ефективніше, що призводить до її охолодження.

Цей ефект був передбачений ще у 1960-х роках кліматологом Сюкуро Манабе, чиї моделі клімату Землі згодом принесли йому Нобелівську премію. З середини 1980-х років стратосфера вже охолола приблизно на 2 градуси Цельсія, що, за оцінками, у десять разів перевищує рівень охолодження, який міг би відбутися без впливу антропогенних викидів.

Незважаючи на те, що загальні принципи були відомі, науковцям бракувало точних розрахунків. Шон Коен, постдокторський дослідник в Обсерваторії Ламонт-Доерті та провідний автор дослідження, пояснює: "Існуюча теорія була надзвичайно проникливою, але нам не вистачало кількісної теорії охолодження стратосфери, викликаного CO₂".

Команда розробила свою теорію, використовуючи ітеративний метод ідентифікації ключових процесів, порівнюючи результати своїх математичних моделей із комплексними симуляціями та реальними даними.

Дослідники виявили, що центральним фактором є взаємодія молекул вуглекислого газу з довгими хвилями інфрачервоного світла. Не кожна довжина хвилі проходить крізь них однаково: команда визначила своєрідний аналог "зони Золотоволоски", де хвилі є особливо ефективними для охолодження. У міру накопичення газу в атмосфері ця зона розширюється.

Саме ці зміни в ефективності зрештою будуть тим, що рухає охолодженням стратосфери,
– додає Шон Коен.

Озон і водяна пара

Крім того, вчені кількісно оцінили роль озону та водяної пари. Хоча вони також можуть утримувати тепло внизу і випромінювати його у стратосфері, з'ясувалося, що їхній вплив є незначним порівняно з вуглекислим газом.

Рівняння, виведені дослідниками, підтверджують три явища:

• Охолодження посилюється з висотою (найменше внизу стратосфери, найбільше – на її верхній межі).
• Кожне подвоєння концентрації CO₂ призводить до зниження температури на 8 градусів Цельсія у верхніх шарах стратосфери.
• Холодніша стратосфера дозволяє меншій кількості інфрачервоної енергії виходити в космос.

Останній пункт створює небезпечний цикл: стратосфера стає кращим випромінювачем і охолоджується, але Земля в цілому втрачає менше тепла.

Це посилює тепловий ефект вуглекислого газу в нижніх шарах атмосфери, збільшуючи радіаційний вплив приблизно на 50 відсотків.

Що це нам дає?

Отримані результати не лише допомагають краще зрозуміти клімат нашої планети, а й можуть бути корисними для вивчення атмосфер інших планет Сонячної системи або екзопланет, пише 24 Канал. Як зауважив Шон Коен, можливо, ми зможемо краще зрозуміти, що відбувається в стратосферах інших планет.

Це охолодження стратосфери не є локальною дрібницею. Воно змінює поведінку атмосферної циркуляції та реактивних потоків – вузьких швидких потоків повітря на висоті приблизно 7 – 13 кілометрів. Реактивні потоки формуються через різницю температур між полярними регіонами та екватором. Коли Арктика нагрівається швидше за інші частини планети, цей температурний контраст слабшає. Через це реактивні потоки можуть ставати повільнішими, хвилястішими та менш стабільними, як з'ясували вчені у дослідженні, яке опублікували у журналі Nature у 2025 році.

Коли реактивний потік починає сильніше "звиватися", погодні системи можуть довше зависати над певними регіонами. Саме це пов'язують із затяжними хвилями спеки, тривалими посухами, сильними зливами та повенями. Наприклад, якщо область високого тиску надовго блокується над регіоном, там може тривати аномальна спека. Якщо ж над місцевістю застоюється циклон, виникають багатоденні дощі та повені.

Вам також буде цікаво дізнатися: що таке стратосфера?

Стратосфера – це другий шар атмосфери Землі, який розташований над тропосферою. Вона починається приблизно на висоті 10 – 15 кілометрів над поверхнею планети та простягається до близько 50 кілометрів. Саме у стратосфері знаходиться озоновий шар, який поглинає значну частину небезпечного ультрафіолетового випромінювання Сонця. Через це температура у стратосфері поводиться інакше, ніж у нижньому шарі атмосфери. Якщо в тропосфері температура з висотою знижується, то у стратосфері – навпаки поступово підвищується через нагрівання озоном.

Стратосфера значно сухіша й стабільніша за тропосферу. Тут майже не утворюються хмари та не виникають звичайні погодні явища на кшталт дощів чи гроз. Саме через стабільність повітря комерційні літаки часто літають біля нижньої межі стратосфери, де менше турбулентності.

Водночас цей шар атмосфери має величезний вплив на кліматичну систему Землі, циркуляцію повітря та поведінку реактивних потоків. Дослідження також показують, що через зміну клімату стратосфера поступово стискається, пише профільний ресурс агентства NOAA Climate.gov.

Як вуглекислий газ впливає на клімат і потепління?

Вуглекислий газ, або CO₂, є одним із головних парникових газів в атмосфері. Його особливість полягає у здатності поглинати інфрачервоне теплове випромінювання, яке Земля випромінює після нагрівання Сонцем. Частина цього тепла затримується в атмосфері й повторно повертається до поверхні планети. Саме так працює природний парниковий ефект, без якого середня температура Землі була б нижчою за точку замерзання води, пише NASA Science.

Проблема полягає у тому, що людство різко збільшило концентрацію CO₂ через спалювання вугілля, нафти та природного газу. За даними NASA, за менш ніж 200 років вміст вуглекислого газу в атмосфері зріс приблизно на 50%. У 2026 році концентрація CO₂ вже перевищила 429 частин на мільйон, що є одним із найвищих показників за сотні тисяч років. Через це нижні шари атмосфери та поверхня Землі нагріваються.

Окрему роль відіграють раптові стратосферні потепління – явища, коли температура у полярній стратосфері за короткий час різко підвищується. Такі події можуть послаблювати або навіть руйнувати полярний вихор – величезну систему холодного повітря над Арктикою. Після цього холодне арктичне повітря інколи проривається далеко на південь, викликаючи сильні зимові морози у Північній Америці, Європі чи Азії, пише The Washington Post.

Кліматологи досі досліджують, наскільки прямо глобальне потепління впливає на частоту таких подій. Частина моделей показує складний і неоднозначний зв'язок. Але дедалі більше робіт свідчать, що зміни у стратосфері, ослаблення температурних контрастів та зміни поведінки реактивних потоків можуть підвищувати ймовірність екстремальної погоди та робити її тривалішою.