Углекислый газ сжимает верхние слои атмосферы, продлевая жизнь космического мусора

Среднесуточная глобальная (от 55 ° с. ш. до 55 ° ю. ш.) температура (K) при пяти различных уровнях давления с января 2002 г. по декабрь 2021 г. Для каждого уровня давления нанесены данные за более чем 7200 дней. Кредит: Журнал геофизических исследований: атмосферы (2022). DOI: 10.1029/2022JD036767

У поверхности Земли повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает повышение температуры. Но начиная примерно с 60 километров (37 миль) вверх, в самых внешних слоях атмосферы, называемых мезосферой и нижней термосферой (MLT), углекислый газ фактически охлаждает атмосферу, заставляя ее сжиматься и сжиматься. Гипотеза о том, что процесс охлаждения и сжатия существует уже более трех десятилетий. Новое исследование выявило первые доказательства того, что во всем мире началось сжатие верхних слоев атмосферы.

Новое исследование использует полученные со спутника 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. По мнению исследователей, вероятно, навсегда.

Остальная часть сокращения происходит из-за снижения солнечной активности в течение этого времени. Исследование было опубликовано в Журнал геофизических исследований: атмосферыкоторый публикует исследования, продвигающие понимание атмосферы Земли и ее взаимодействия с другими компонентами земной системы.

Охлаждение и сжатие МЛТ приведут к увеличению долговечности космического мусора на больших высотах, в том числе в верхней термосфере, что представляет опасность для Международной космической станции и других низкоорбитальных космических объектов. Десятки тысяч известных фрагментов космического мусора, от природных метеороидов до антропогенного технологического мусора, в настоящее время вращаются вокруг Земли.

Со временем большая часть мусора опускается и падает с орбиты. Модели в статье, опубликованной ранее в Письма о геофизических исследованиях прогнозируемое охлаждение термосферы приведет к снижению сопротивления примерно на 33% и увеличению срока службы космического мусора на 30% к 2070 году.

«Одним из следствий этого является то, что спутники будут оставаться в активном состоянии дольше, и это здорово, потому что люди хотят, чтобы их спутники оставались в активном состоянии. Но обломки также будут оставаться в активном состоянии дольше и, вероятно, повысят вероятность того, что спутникам и другим ценным космическим объектам придется корректировать свой путь, чтобы избежать столкновений», — сказал Мартин Млинчак, ведущий автор Журнал геофизических исследований: атмосферы исследование и геокосмический ученый в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли. Он добавил, что более долговечный мусор может увеличить стоимость космического страхования и стать основным фактором при принятии будущих решений в области космического права и политики.

Термосфера — это самый высокий слой атмосферы перед тем, что многие люди, вероятно, называют «космосом» или экзосферой. Он определяется атмосферным давлением, но обычно простирается от высоты от 80 до 90 километров (от 50 до 60 миль) до высоты от 500 до 1000 километров (от 300 до 600 миль).

В отличие от атмосферы, близкой к поверхности Земли, термосфера состоит в основном из кислорода и азота. Большая часть поступающего от Солнца УФ-излучения поглощается кислородом, нагревая термосферу и вызывая ее расширение. Нагрев варьируется от одного солнечного цикла к другому и играет важную роль в установлении температуры термосферы, а также в ее сжатии или набухании.

Охлаждение вызывает сжатие в верхних слоях атмосферы

На малых высотах в атмосфере углекислый газ поглощает энергию и излучает 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 верхнюю атмосферу. Таким образом, более высокие концентрации углекислого газа в MLT посылают больше энергии обратно в космос. Это радиационное охлаждение в сочетании с колебаниями солнечной активности вызывает сокращение.

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

«Было очень интересно увидеть, можем ли мы на самом деле наблюдать это охлаждение и сжатие атмосферы», — сказал Млинчак. «Наконец-то мы представляем эти наблюдения в этой статье. Мы первые, кто показал подобное сжатие атмосферы в глобальном масштабе».

Когда термосфера охлаждается, она сжимается, что приводит к снижению плотности. Из-за этого спутник на заданной высоте в термосфере теперь испытывает относительно менее плотный воздух и, следовательно, меньшее сопротивление, чем до добавления дополнительного углекислого газа.

Новый JGR: Атмосфера В исследовании использовались данные о температуре и давлении со спутника НАСА TIMED (на 21-м году того, что первоначально было двухлетней миссией), чтобы найти предсказанные модели охлаждения и сжатия. Исследователи обнаружили, что самая высокая высота мезосферы и нижней термосферы остыла 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 температуру атмосферы. На самых высоких высотах в MLT более слабый солнечный цикл за последние 20 лет является причиной большей части наблюдаемого похолодания, добавляя к охлаждению из-за увеличения содержания углекислого газа.

«На каждой высоте происходит похолодание и сжатие, которые мы частично приписываем увеличению содержания углекислого газа», — сказал Млинчак. «Пока количество углекислого газа увеличивается примерно с той же скоростью, мы можем ожидать, что эти скорости изменения температуры также останутся примерно постоянными, примерно на полградуса Кельвина. [of cooling] за десятилетие».