Вблизи поверхности Земли увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры. Но начиная примерно с высоты 60 километров (37 миль), в самых внешних слоях атмосферы, называемых мезосферой и нижней термосферой (MLT), углекислый газ фактически охлаждает атмосферу, заставляя ее сжиматься. Этот процесс охлаждения и сжатия предполагался более трех десятилетий. Теперь новое исследование показывает первые доказательства того, что во всем мире началось сокращение верхних слоев атмосферы.

Новое исследование использует спутниковые данные о давлении и температуре, чтобы показать, что MLT сократился более чем на 1,3 километра (0,8 мили) в период с 2002 по 2019 год. Около 340 метров (1115 футов) этого сокращения происходит из-за углекислого газа, и, по мнению исследователей, это сокращение, вероятно, является постоянным.

Остальная часть сокращения обусловлена снижением солнечной активности в течение этого времени. Исследование было опубликовано в журнале Geophysical Research: Atmospheres, который публикует исследования, способствующие пониманию атмосферы Земли и ее взаимодействия с другими компонентами земной системы.

Охлаждение и сокращение MLT приведет к увеличению срока службы космического мусора на больших высотах, включая верхнюю термосферу, что создает риски для Международной космической станции и других космических объектов на низкой околоземной орбите. Десятки тысяч известных фрагментов космического мусора, от естественных метеороидов до созданного человеком технологического мусора, в настоящее время вращаются вокруг Земли.

Со временем большая часть обломков опускается и выпадает с орбиты. Модели в статье, опубликованной ранее в Geophysical Research Letters, предсказывали, что охлаждение в термосфере приведет к уменьшению лобового сопротивления примерно на 33% и увеличению срока службы космического мусора на 30% к 2070 году.

"Одним из следствий является то, что спутники будут работать дольше, и это здорово, потому что люди хотят, чтобы их спутники оставались в рабочем состоянии. Но обломки также будут оставаться на поверхности дольше и, вероятно, увеличат вероятность того, что спутникам и другим ценным космическим объектам придется корректировать свой путь, чтобы избежать столкновений", - сказал Мартин Млынчак, ведущий автор Journal of Geophysical Research: Atmospheres study и специалист по геокосмическому пространству в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли. Более долговечный мусор может увеличить расходы на космическое страхование и стать важным фактором при принятии будущих решений в области космического права и политики, добавил он.

Термосфера - это самый высокий слой атмосферы перед тем, что многие люди, вероятно, считают "космосом", или экзосферой. Она определяется атмосферным давлением, но обычно простирается от высот примерно от 80 до 90 километров (от 50 до 60 миль) до 500-1000 километров (от 300 до 600 миль).

В отличие от атмосферы вблизи поверхности Земли, термосфера состоит в основном из кислорода и азота. Большая часть поступающего ультрафиолетового излучения Солнца поглощается кислородом, нагревая термосферу и заставляя ее расширяться. Нагрев варьируется от одного солнечного цикла к следующему и играет важную роль в установлении температуры термосферы и ее сжатии или набухании.

Охлаждение вызывает сжатие в высоких слоях атмосферы

На малых высотах в атмосфере углекислый газ поглощает энергию и выбрасывает ее вниз, нагревая атмосферу. Но в мезосфере и нижней термосфере, где атмосфера в миллионы раз тоньше, молекулы углекислого газа поглощают поступающую энергию и излучают инфракрасное излучение обратно в космос, помогая охлаждать верхние слои атмосферы. Таким образом, более высокие концентрации углекислого газа в MLT отправляют больше энергии обратно в космос. Это радиационное охлаждение в сочетании с колебаниями солнечной активности приводит к сокращению.

Концентрации углекислого газа в мезосфере и термосфере увеличивались в соответствии с концентрациями на поверхности Земли. Ученые предсказывали в 1980-х годах, что произойдет похолодание и сжатие, но новое исследование является первым, демонстрирующим глобальные наблюдения за сокращением.

"Было очень интересно посмотреть, сможем ли мы на самом деле наблюдать этот эффект охлаждения и сжатия атмосферы", - сказал Млынчак. "Мы, наконец, представляем эти наблюдения в этой статье. Мы первые, кто продемонстрировал такое сокращение атмосферы в глобальном масштабе".

По мере охлаждения термосферы она сжимается, что приводит к снижению плотности. Из-за этого спутник на данной высоте в термосфере теперь испытывает относительно меньшую плотность воздуха и, следовательно, меньшее лобовое сопротивление, чем до добавления дополнительного углекислого газа.

В новом исследовании JGR: Atmospheres использовались данные о температуре и давлении со спутника NASA TIMED (на 21-м году того, что первоначально было двухлетней миссией), чтобы найти прогнозируемые модели охлаждения и сжатия. Исследователи обнаружили, что самая высокая высота мезосферы и нижней термосферы охладилась на целых 1,7 градуса по Цельсию (35 градусов по Фаренгейту) и сократилась более чем на километр в период с 2002 по 2019 год.

Последний солнечный цикл был слабым, что позволило исследователям разделить влияние углекислого газа и солнечной радиации на атмосферные температуры. На самых больших высотах в MLT более слабый солнечный цикл за последние 20 лет ответственен за большую часть наблюдаемого охлаждения, усугубляя охлаждение за счет увеличения содержания углекислого газа.

"На каждой высоте происходит похолодание и сжатие, которые мы частично объясняем увеличением содержания углекислого газа", - сказал Млынчак. "До тех пор, пока углекислый газ увеличивается примерно с той же скоростью, мы можем ожидать, что эти темпы изменения температуры также останутся примерно постоянными, примерно на полградуса Кельвина [охлаждения] за десятилетие".