隨著地球表面和低層大氣持續暖化，地球大氣的另一部分卻在做相反的事情。遠在高於地面的高層大氣數十年來一直在顯著冷卻。科學家們早已認識到這種不尋常的對比是人類驅動氣候變遷最清晰的信號之一，但其背後的確切物理機制仍然不確定。
現在，哥倫比亞大學的研究人員表示，他們終於發現了負責的機制。他們的新研究解釋了二氧化碳（CO2）如何與不同波長的光互動，從而冷卻高層大氣，同時使下方的地球暖化。
「這解釋了一個持續數十年、已被證實但尚未被理解的氣候變遷指紋現象。」拉蒙特-多爾蒂地球觀測站（Lamont-Doherty Earth Observatory）海洋與氣候物理學研究教授、也是發表於《自然地球科學》（Nature Geoscience）期刊上該研究的合著者羅伯特·平克斯（Robert Pincus）表示。
在地球表面附近，CO2會捕捉原本會逃逸到太空的熱量，從而導致全球暖化。但在大氣層更高處，情況則大不相同。
在平流層（stratosphere），即從地表約11公里到50公里的大氣層，CO2的行為更像一個冷卻系統。這些分子吸收來自下方的紅外線能量，然後將部分能量釋放回太空。隨著大氣中CO2含量的增加，平流層在散熱方面變得更加有效，從而導致那裡的溫度下降。
科學家們早在1960年代就透過氣候學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）開發的氣候模型預測了這種效應，他的工作後來獲得了諾貝爾獎。自1980年代中期以來，平流層的溫度已下降約攝氏2度。研究人員估計，這種冷卻效應若沒有人類產生的CO2排放，將會小得多，估計是目前情況的十分之一以下。
儘管科學家們理解平流層冷卻的廣泛概念，但許多詳細過程仍未解決。
「現有的理論極具啟發性，但目前我們缺乏一個關於CO2引起的平流層冷卻的定量理論。」拉蒙特-多爾蒂地球觀測站（隸屬於哥倫比亞氣候學院）的博士後研究科學家、該研究的主要作者肖恩·科恩（Sean Cohen）表示。
紅外線的「金髮女孩區域」（Goldilocks Zone）
為了解開這個謎團，科恩與平克斯以及哥倫比亞大學工程學院應用物理與應用數學系的地球物理學家洛倫佐·波爾瓦尼（Lorenzo Polvani）合作。該團隊建立了數學模型，確定了驅動平流層冷卻的主要過程。他們反覆將計算結果與氣候模擬和觀測數據進行比較，經過數月時間調整方程式，直到模型與現實情況一致。
他們的研究指向了一個關鍵因素：CO2分子與紅外線（也稱為長波輻射）的交互方式。
並非所有紅外線波長在大氣中的行為都相同。研究人員發現，某些波長對於促進冷卻特別有效。他們將這個高效範圍描述為一個「金髮女孩區域」。隨著CO2濃度的升高，這個區域會擴大，從而提高大氣的冷卻效率。
「最終驅動平流層冷卻的將是效率的這些變化。」科恩說。
研究人員還檢視了臭氧和水蒸氣的影響。雖然兩者都可能影響大氣中的加熱和冷卻過程，但與CO2相比，它們對平流層冷卻的影響相對較小。
平流層冷卻如何加劇地表暖化
該團隊的方程式成功地重現了幾項已知的大氣特徵。它們與觀測結果一致，顯示冷卻隨著高度的增加而增強，最大的冷卻發生在平流層頂部附近。計算還證實，每當CO2濃度翻倍，平流層頂（平流層的上邊界）的冷卻約為攝氏8度。
該研究還強調了一個重要的氣候反饋。儘管CO2增加有助於平流層更有效地輻射熱量，但由此產生的較低溫度意味著地球系統最終向太空釋放的總紅外線能量減少。這會加強地表附近的熱量滯留，加劇低層大氣的暖化。
「我們已經知道這個過程50多年了，我們對它的工作原理有相當不錯的定性理解。然而，我們並不理解實際在機制上驅動這個過程的細節。」科恩說。
根據科恩和平克斯的說法，這項研究與其說是為了證明氣候變遷的存在，不如說是為了增進科學界對大氣如何運作的理解。
「這真的告訴我們什麼是至關重要的。」平克斯說。
這些發現也可能應用於地球以外的領域。研究人員表示，相同的原理可能幫助科學家更好地理解其他行星和遙遠系外行星的大氣層。
「也許我們可以更好地理解我們太陽系中其他行星或系外行星的平流層正在發生什麼。」科恩說。