Bestämning av uppehållstiden hos luften i stratosfären

Forskningsprojekt, 2010 – 2013

Stratosfären är bäst känd som platsen för ozonskiktet. Detta skikt skyddar oss ifrån den kraftigare delen av UV-strålning som kan orsaka cancer. I jämförelse med troposfären, där vi befinner oss, är stratosfären relativt lugn. Denna skillnad beror på att temperaturen är lägre på högre höjder i troposfären medan motsatsen råder i stratosfären. Detta får till följd att kraftiga vertikala rörelser är förhindrade i stratosfären, på samma sätt som ett så kallat inversionsskikt kan lägga ett luftlock över en stad och hålla kvar luftföroreningar.

Det finns dock ett storskaligt transportsystem som för luft inom stratosfären ifrån tropikerna till polerna, vilket kallas för Brewer Dobson-cirkulationen. Denna cirkulation drivs till stor del av resterna av vädersystem här nere i troposfären. En del vädersystem kan fortplanta sig uppåt i en vågrörelse, som senare bryts ner på högre höjder i likhet med vågor som når en strand. Detta frigör en kraft som bidrar till att luft förs uppåt över tropikerna och vidare mot polerna följt av en nedåtgående rörelse. Denna färd tar ungefär 6 år. Hur länge luften har befunnit sig i stratosfären längs denna transportväg benämns som luftens ålder eller uppehållstid. Gaser som ej bryts ner i troposfären benämns som långlivade. Sådana gaser kommer för eller senare att nå stratosfären där de kan utsättas för en tillräckligt kraftig UV-strålning att molekylstrukturen förstörs. Detta innebär att livstiden för långlivade gaser styrs av stratosfärens cirkulation och frågan är om denna cirkulation påverkas av ett förändrat klimat? Detta påverkar i sin tur själva klimatfrågan eftersom de flesta växthusgaser är långlivade. Dagens klimatmodeller ger att vi får ökad vågaktivitet i troposfären, d.v.s. fler och starkare stormar. Om dessa vågor fortplantas till stratosfären skulle de driva en starkare och snabbare transport av luft från ekvatorn till polarna och därmed minska medelåldern för luft i stratosfären. Idag finns det väldigt få mätningar av åldern på stratosfärisk luft. Dessa är baserade på mätningar av långlivade gaser som visar en ökande tendens i troposfären, där koldioxid är ett känt exempel. Genom att jämföra gashalterna hos luften i stratosfären med historiska värden i troposfären kan man bestämma luftens stratosfäriska ålder. Denna procedur kräver en mätnoggrannhet som i princip ger en begränsning till mätningar på plats via flygplan och ballonger. Detta är olyckligt då satelliter är vårt enda sätt att få en global bild över situationen.

Vi vill därför utveckla en alternativ mätmetod genom att anpassa en strategi som ofta används i klimatstudier, nämligen att använda förhållandet mellan olika isotopologer av ett lämpligt ämne. I detta fall används förhållandet mellan normalt och tungt vatten, i form av ånga. När vattnet stiger i tropikerna kondenseras vattenånga och moln bestående av is och vattendroppar skapas. En stor del av molnpartiklarna faller ner i form av regn. Tungt vatten kondenserar lättare än vanligt vatten och detta får till följd att den vattenånga som når stratosfären är kraftigt utarmad på tungt vatten. Vattenånga skapas dock även inom stratosfären när metan sönderdelas av UV-ljus. Detta vatten har en mer normal kvot av tungt vatten och denna tillförsel av nytt vatten gör att halten av tungt vatten stiger med luftens stratosfäriska ålder. Detta ger oss en alternativ väg till att studera cirkulationen i stratosfären. Genom atmosfärsmodeller kan vi bestämma en relation mellan hur länge ett luftpaket har befunnit sig i stratosfären och förhållandet mellan tungt och normalt vatten. Vi kan då översätta satellitmätningar av detta förhållande till luftens ålder. Den svenska satelliten Odin utför de mätningar som behövs, där vi i dagsläget har data för 8 år. När metoden är färdigutvecklad kan vi studera tendenser till en snabbare cirkulation, och därmed beräkna konsekvenserna av klimatförändringar. En betydande fråga här är om läkningen av ozonskiktet påverkas.