Die Unterströmung des Klimawandels ist in dieser Atmosphärenwelle verborgen

Wei Ke

Wir leben am unteren Ende der Erdatmosphäre und die Atmosphäre über unseren Köpfen erstreckt sich mindestens 1.000 km weit nach außen. Obwohl die Erdatmosphäre ein Ganzes ist, sind die Eigenschaften und Merkmale der einzelnen Bereiche von unten nach oben unterschiedlich. Je nach Standard kann es in mehrere Ebenen unterteilt werden. Der am häufigsten verwendete Schichtungsstandard basiert auf Temperaturänderungen und unterteilt die Erdatmosphäre in fünf Ebenen: Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre.

Die Troposphäre ist der atmosphärische Bereich von der Erdoberfläche bis zur Oberseite der Troposphäre mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 11 Kilometern. Dies ist die Atmosphärenschicht, die der Erdoberfläche am nächsten ist. Es ist zugleich die Schicht mit der dichtesten und höchsten Dichte. Die darin enthaltene Luftmasse macht 75 % der gesamten Atmosphärenmasse aus. In der Troposphäre befinden sich fast der gesamte Wasserdampf und alle Verunreinigungen, und auch fast alle Wetterphänomene treten in dieser Schicht auf.

Wir diskutieren heute nicht über die Troposphäre. Wir diskutieren die Stratosphäre über der Troposphäre. Der Bereich von der Oberseite der Troposphäre bis etwa 50 Kilometer wird als Stratosphäre bezeichnet. Die Temperatur in der Stratosphäre steigt mit der Höhe allmählich an, was genau das Gegenteil der Veränderung in der Troposphäre ist.

Aufgrund des im 19. Jahrhundert gemessenen Temperaturgradienten der unteren Atmosphäre (0,7 Grad Celsius/100 Meter) gingen viele Physiker damals davon aus, dass die Temperatur der Atmosphäre mit zunehmender Höhe auf extrem niedrige Werte sinken würde. Der deutsche Physiker Hermann von Helmholtz beispielsweise glaubte, dass in Höhen über 30 km die Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegen und die innere Energie vollständig verschwinden könnte.

Tatsächlich ist dies jedoch nicht zu erreichen, da sich mit zunehmender Höhe die Zusammensetzung der Atmosphäre allmählich ändert und der Ozongehalt in der Atmosphäre allmählich zunimmt, auch wenn die Entfernung zur Wärmequelle am Boden immer größer wird. Ozon entsteht hauptsächlich dadurch, dass der Sauerstoff in der Atmosphäre die ultravioletten Strahlen der Sonne absorbiert. 90 % des Ozons in der Atmosphäre sind in einer Entfernung von 20 bis 30 km über dem Boden konzentriert. Diese Schicht ist die Ozonschicht. Obwohl Ozon kein für unser bloßes Auge sichtbares Sonnenlicht absorbiert, kann es ultraviolette Strahlen absorbieren, die für unser bloßes Auge unsichtbar sind. Nach der Absorption ultravioletter Strahlen steigt die atmosphärische Temperatur der Ozonschicht allmählich an. Daher steigt mit zunehmender Höhe in der Stratosphäre auch die Temperatur allmählich an.

Mit zunehmender Höhe steigt auch die Temperatur allmählich an, wodurch sich eine Temperaturverteilung bildet, die unten kalt und oben heiß ist. Dies ist ein sehr stabiler Zustand. Daher bewegt sich die Luft in dieser Luftschicht selten vertikal, sondern hauptsächlich horizontal; daher wird sie auch Stratosphäre genannt. Da die Luft horizontal strömt und die Auf- und Ab-Turbulenzen sehr schwach sind, eignet es sich sehr gut für den Flugzeugflug. Heutige Verkehrsflugzeuge und Höhenaufklärer fliegen hauptsächlich in der unteren Stratosphäre und oberen Troposphäre.

Die Stratosphäre ist also der blaue Bereich über allen Wolken, den wir sehen können. Da es hier kaum auf- und absteigende Luftbewegungen gibt, treten hier auch nicht viele Wetterphänomene auf. Manche Freunde sagen vielleicht: „Es gibt nicht viele Phänomene, welchen Sinn hat es, sie zu untersuchen?“

Tatsächlich ist die Stratosphäre eng mit unserem Leben verbunden, insbesondere die Ozonschicht in einer Tiefe zwischen 20 und 30 Kilometern. Es bietet uns einen großen Sonnenschutz, der immer und überall einsatzbereit ist und die meisten ultravioletten Strahlen der Sonne blockiert.

Die am häufigsten von der Erde empfangene kosmische Strahlung ist das Sonnenlicht. Jeder denkt, dass Sonnenlicht warm, rein und hell ist. Tatsächlich enthält das Sonnenlicht viel Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist, beispielsweise ultraviolette Strahlen. Entsprechend der Wellenlänge (von lang bis kurz) können ultraviolette Strahlen in UVA, UVB und UVC unterteilt werden, wobei UVC die gefährlichste ultraviolette Strahlung ist. Unter langfristiger UVC-Bestrahlung kann kein Leben überleben. Wir hören oft von Ultraviolett-Desinfektionslampen und Schwarzlichtlampen. Tatsächlich handelt es sich bei dem von diesen Lampen ausgestrahlten UVC-Licht um ein für das bloße Auge unsichtbares Licht. Es kann zur Desinfektion und Sterilisation verwendet werden.

Welche Wirkung hat UVB? Bei langfristiger UVB-Bestrahlung besteht ein erhöhtes Risiko für Hautkrebs und Katarakte. Jedes Jahr sterben weltweit viele Menschen an Hautkrebs und erblinden durch Katarakte.

Was UVA betrifft, so hassen es viele Menschen, die Schönheit lieben, weil die Haut unter UVA-Bestrahlung leicht altern, dunkler werden und Falten bilden kann und die Hautalterung von selbst beginnt.

Glücklicherweise haben wir Menschen großes Glück, denn die Stratosphäre über unseren Köpfen ist wie ein großer Regenschirm, der uns überall und jederzeit schützt. Die Ozonschicht kann 100 % der gefährlichsten UVC-Strahlung, mehr als 50 % der UVB-Strahlung und einen Teil der UVA-Strahlung blockieren. Daher ist nur ein kleiner Teil der ultravioletten Strahlen, die die Erdoberfläche erreichen können, für unsere Gesundheit jedoch von Nutzen. Ohne ultraviolette Strahlung besteht bei Menschen die Gefahr eines Vitamin-D- und Kalziummangels, der zu Osteoporose, Rachitis, motorischer Entwicklungsverzögerung, Tetanus usw. führen kann.

Die Bewegung der Stratosphäre weist einige besondere Merkmale auf. Beispielsweise dauert in den mittleren und hohen Breiten die östliche Zirkulation etwa ein halbes Jahr und die westliche Zirkulation das andere halbe Jahr. Wenn Sie also im Sommer über den Nordpol blicken, sehen Sie eine Zirkulation im Uhrzeigersinn. im Winter ist eine Zirkulation gegen den Uhrzeigersinn zu beobachten.

Die Windgeschwindigkeit in der Stratosphäre ist sehr hoch. Wie hoch ist es? Die Windgeschwindigkeit ist größer als die aller Taifuns und Hurrikane auf der Erde. Die Windgeschwindigkeit im Jetstream-Gebiet kann sogar über 100 Meter pro Sekunde erreichen. Dieser Jetstream bildet einen Einschlusskreis für kalte Luft in hohen Breiten und kontrolliert die kalte Luft in der dunklen und kalten Polarregion. Wenn es zu großflächigen Störungen im Jetstream kommt, wird dieser verzerrt, wodurch kalte Luft nach Süden strömt. Genauso kann das Wasser in einem sich stetig drehenden Wasserbecken nicht herausschwappen, aber wenn das Becken selbst instabil und holprig ist, läuft das Wasser darin leicht heraus.

Ende Januar 2016 beispielsweise war es in der östlichen Region meines Landes sehr kalt, und sogar in Guangdong, Taiwan und anderen Orten schneite es, was von den Internetnutzern als „Superkältewelle“ bezeichnet wurde. Wenn Sie die Stratosphäre ein oder zwei Wochen vor dem Auftreten einer „Superkältewelle“ beobachten, werden Sie feststellen, dass der gesamte Polarwirbel verzerrt und deformiert ist und kontinuierlich kalte Luft ausströmt.

Im Januar 2019 war es in Nordamerika extrem kalt und es fühlte sich an, als wären wir plötzlich in die Eiszeit eingetreten. Dies liegt daran, dass im Januar das Zentrum des arktischen Polarwirbels gespalten wurde und sich in den Himmel über Nordamerika bewegte, was zu ungewöhnlich kaltem Wetter in Nordamerika führte.

In ähnlicher Weise wurde die Erde Anfang Januar 2021 im Osten meines Landes mit extrem kalter Luft konfrontiert. Am Morgen des 7. Januar lag die niedrigste Temperatur in den meisten Teilen Pekings zwischen -24 und -18 °C, und die niedrigste Temperatur am Nanjiao-Observatorium betrug -19,6 °C, was den niedrigsten Winterwert seit 1966 darstellte (-27,4 °C, 22. Februar 1966). Zuvor kam es zu einer explosionsartigen Erwärmung der Stratosphäre, wodurch der Polarwirbel aus der Arktis in den Himmel über Sibirien verdrängt wurde und dadurch kalte Luft aus der Arktis und Sibirien in die Polarregionen ausströmte.

Daher beschreibe ich die Stratosphäre metaphorisch als „den Motor der globalen Kaltluft, insbesondere der extrem kalten Luft“.

Darüber hinaus ist die Stratosphäre auch ein Verstärker des globalen Klimawandels, der Klimaanomalien in einer Region zu globalen Klimaanomalien und kurzfristige Klimaanomalien zu langfristigen Klimaanomalien verstärken kann.

Wenn es beispielsweise zu einem Vulkanausbruch kommt, wirken sich die vom Vulkan ausgestoßene Vulkanasche, das Magma usw. hauptsächlich auf die Umgebung des Vulkans aus. Bei besonders starken Vulkanausbrüchen gelangen große Mengen Sulfataerosole in die Stratosphäre und werden im Zuge der stratosphärischen Luftzirkulation in verschiedene Teile der Welt transportiert. Aufgrund der fehlenden vertikalen Bewegung in der Stratosphäre können diese Aerosole für einen beträchtlichen Zeitraum in der Stratosphäre verbleiben, die Sonneneinstrahlung blockieren, einen Sonnenschirmeffekt erzeugen, die Sonneneinstrahlung auf den Boden verringern und einen globalen, langfristigen Abkühlungsprozess bewirken. Dadurch werden sich lokale kurzfristige Ereignisse zu langfristigen globalen Klimaereignissen entwickeln.

Im letzten halben Jahrhundert wurden beim Ausbruch des Vulkans Agung im Jahr 1963 etwa 8 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Stratosphäre freigesetzt, beim Ausbruch des El Chichon im Jahr 1982 etwa 7 Millionen Tonnen Schwefeldioxid und beim Ausbruch des Vulkans Pinatubo im Jahr 1991 etwa 20 Millionen Tonnen Schwefeldioxid. Diese drei Vulkanausbrüche haben ihre Spuren in der globalen Temperaturentwicklung hinterlassen, mit Abkühlungsausschlägen von etwa -0,2 °C, etwa -0,2 °C bzw. etwa -0,5 °C und einer Dauer von 1–2 Jahren.

Größere Ausbrüche, wie etwa der Ausbruch des Vulkans Tambora auf der indonesischen Insel Sumbawa im April 1815, erzeugten eine Aschesäule, die 45 Kilometer hoch (bis in die obere Stratosphäre) reichte und den Globus mit vulkanischen Aerosolen bedeckte. In Südostasien kamen dadurch über 71.000 Menschen ums Leben, 11.000 bis 12.000 von ihnen starben direkt durch den Ausbruch und der Rest durch Hunger und Krankheiten. Tausende Kilometer entfernt in Europa forderte eine Hungersnot den Tod von über 200.000 Menschen.

Dieser Verstärkungseffekt gilt auch für Rußaerosole, die durch großflächige Waldbrände und den nuklearen Winter infolge eines Atomkriegs entstehen. Der sogenannte nukleare Winter bedeutet, dass Atomwaffen schwarzen Rauch (Ruß) in die Stratosphäre ausstoßen, der bei der Verbrennung brennbarer Materialien entsteht. Durch die Stratosphärenzirkulation wird er über den Globus verteilt, blockiert die Sonneneinstrahlung, kühlt den Boden ab und macht die Oberfläche winterkalt.

Vor einigen Jahren führten Wissenschaftler ein solches numerisches Experiment durch, bei dem sie einen kleinen Atomkrieg simulierten. Beispielsweise begannen Indien und Pakistan aus irgendeinem Grund einen Krieg. Indien warf 50 Atomsprengköpfe ab und Pakistan warf ebenfalls 50 Atomsprengköpfe ab. 100 Atomsprengköpfe verursachten 100 Brände und 100 Städte wurden zerstört. Die in der Simulation verwendeten Atomsprengköpfe waren sehr klein und hatten ein TNT-Äquivalent von nur 15.000 Tonnen, was der Atombombe „Little Boy“ entspricht, die die Vereinigten Staaten im Zweiten Weltkrieg auf Hiroshima in Japan abwarfen.

Selbst der im Experiment simulierte Atomkrieg im kleinen Maßstab würde etwa fünf Millionen Tonnen Ruß in die Welt freisetzen. Nachdem sie die Stratosphäre erreicht haben, breiten sie sich innerhalb eines halben Jahres rasch in der gesamten Stratosphäre aus, vom Südpol bis zum Nordpol, und blockieren die Sonnenstrahlung.

Da sich die Atmosphäre in der Stratosphäre hauptsächlich horizontal bewegt und die Luft sehr stabil ist, werden sich auch nach 10 Jahren noch etwa 1,1 Millionen Tonnen Ruß in der Atmosphäre befinden. Dies wird globale Auswirkungen auf das Klima haben, die sich vor allem in der Beeinträchtigung der Landwirtschaft niederschlagen werden.

Die Ergebnisse der Simulationen der Wissenschaftler zeigen, dass auch die Landwirtschaft der USA und Chinas, die nicht am Krieg teilnahmen, ernsthaft beeinträchtigt würde: In den ersten fünf Kriegsjahren könnte Chinas Winterweizenproduktion um 40 % und die Sommerweizenproduktion um etwa 35 % zurückgehen; Die Maisproduktion der Vereinigten Staaten könnte um etwa 20 % zurückgehen.

In den zweiten fünf Jahren betrug der Rückgang der Mais- und Sojabohnenproduktion in den Vereinigten Staaten etwa 10 %; Der Rückgang der Getreideproduktion in China betrug etwa 15 bis 25 Prozent.

Viele Menschen, die sich mit internationaler Politik beschäftigen, sollten wissen, dass ein Rückgang der landwirtschaftlichen Produktion in diesem Ausmaß unweigerlich zu einer weltweiten Nahrungsmittelkrise und explodierenden Preisen führen wird, die vor allem die Armen treffen werden.

Was wäre, wenn der Krieg größere Ausmaße annimmt und 1.000 Atomsprengköpfe zum Einsatz kommen würden? Etwa 50 Millionen Tonnen Ruß werden in die Stratosphäre ausgestoßen und die globale Temperatur wird um etwa 3 °C sinken. Wenn die Zahl der explodierten Atomsprengköpfe auf 3.000 steigt, wird die globale Temperatur um etwa 7 °C sinken.

Die aktuelle globale Durchschnittstemperatur beträgt 15 °C. Wenn die Temperatur um 7 °C sinkt, wechseln wir direkt von 15 °C im Frühling zu etwa 8 °C im Winter. Es wird einen echten nuklearen Winter geben. Daher ist die Stratosphäre über unseren Köpfen für uns sehr wichtig und kann die Klimaauswirkungen verstärken, die durch verschiedene vom Menschen verursachte oder natürliche Prozesse verursacht werden. Auch wenn wir Tausende von Kilometern von einem Atomkrieg entfernt sind, wird dieser durch den Transporteffekt der Stratosphäre über unseren Köpfen und die Reaktion des globalen Klimas dennoch globale Auswirkungen haben. Kein Land kann vor dem Risiko eines Atomkriegs gefeit sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Stratosphäre der Motor extrem kalter Luft auf der ganzen Welt ist. Gleichzeitig bietet es uns einen allgegenwärtigen und allgegenwärtigen Sonnenschutz und macht die Erde lebenswerter. Darüber hinaus verstärkt es das globale Klima und führt zu ungewöhnlichen Ereignissen in der Stratosphäre, die sich letztlich auf die ganze Welt auswirken.

Gutachter: Huangfu Jingliang, Taifun-Experte am Institut für Atmosphärenphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.