Nyt værktøj hjælper med at påvise klimaforandringer

Radio-okkultation er en forholdsvis ny målemetode, der kan bestemme temperaturen i den øvre atmosfære med høj nøjagtighed. De nye data bidrager til en endnu bedre forståelse af klimaforandringer og er for første gang med i IPCC’s klimarapport.

IPCC har for første gang inddraget den forholdsvis ny målemetode kaldet radio-okkultation (RO) i deres seneste omfattende klimarapport her.  

Vigtigt værktøj til at bestemme klimaforandringer for eftertiden

Radio-okkultation bidrager til en bedre forståelse af mekanismerne bag den globale opvarmning, da den nyere metode kan måle temperaturen med stor nøjagtighed i den øvre del af atmosfæren. På den måde udbygges den detaljerede viden om temperaturændringer ved jordoverfladen, der er oparbejdet gennem de seneste 100-150 år, med viden om temperaturen højere oppe i atmosfæren.

”Styrken ved RO-metoden er, at den har en højere opløsning og større nøjagtighed end tidligere anvendte metoder. Vi kan derfor opnå ret nøjagtige bud på temperaturændringen gennem alle atmosfærens lag,” forklarer Hans Gleisner, der er forsker på DMI og desuden var på forfatterholdet på IPCC’s sjette hovedrapport. Hans Gleisner afslutter:

”Efterhånden som RO-tidsserierne bliver længere kan radio-okkultation spille en vigtig rolle i at bestemme den aktuelle klimaændring - især i atmosfærens øverste lag i stratosfæren. Jeg ser derfor et stort potentiale i RO-målemetoden for eftertiden.”

Drivhusgasser leder til opvarmning og afkøling af atmosfæren

Vi mennesker har udledt store mængder drivhusgasser siden 1850’erne, og det har ført til en stigning i koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren. Når koncentration af drivhusgasser stiger i atmosfæren leder det i teorien til en opvarmning af den nederste del af atmosfæren også kaldt for troposfæren - og en afkøling højere oppe i atmosfæren, som kaldes stratosfæren.

RO-målinger bekræfter teorien og viser en gennemsnitlig opvarmning af troposfæren op til ca. 15-18 km’s højde, mens der ses en afkøling i stratosfæren over ca. 18 km’s højde (fig 1).

Ro-målinger

Figur 1. Temperaturforandringer i grader C per årti fra 8 til 30 kilometers højde. Figuren til venstre viser middelværdien af den globale temperaturtrend (mellem breddegraderne 70 S og 70 N), mens figuren til højre viser den tilsvarende temperaturtrend i troperne (mellem breddegraderne 20 S og 20 N).

Hvad er radio-okkultation?
Radio-okkultation (RO) vinder mere og mere indpas inden for meteorologiens og klimaforskningens verden. Radio-okkultation er en forholdsvis ny målemetode fra jordobservationssatelliter, som udgør et stadig vigtigere grundlag i vores overvågning af klimaændringer.

RO er baseret på måling af GPS-radiosignaler, der passerer gennem atmosfæren. Påvirkningen af radiosignalerne giver vigtig information om atmosfærens tilstand fra de nederste kilometre og op til ca. 30 kilometers højde og højere endnu i stratosfæren.

De nye resultater fra RO stemmer overens med tidligere målinger, der er foretaget med andre metoder. RO-målingerne giver i tillæg et endnu mere detaljeret billede af, hvordan temperaturen ændres lige præcis i overgangen mellem troposfæren og stratosfæren. Der kan desuden opnås nøjagtige bud på temperaturændringerne gennem alle atmosfærens lag fra høje sydlige til høje nordlige breddegrader (fig. 2). Dette er en vigtig information, som blandt andet kan fortælle, hvor gode klimamodeller er til at beskrive atmosfærens forandringer.

RO har været i brug siden 2001 og tidsserierne har først nu en længde, hvor de kan bruges til at belyse klimaændringer. Radio-okkultation kan derfor bidrage til, at vi bedre forstår mekanismerne bag den globale opvarmning endnu bedre for eftertiden.

Temperaturtrends

Figur 2. Temperaturforandringer i grader C per årti fra 8 til 25 kilometers højde. Figuren viser de gennemsnitlige temperaturtrends fra høje sydlige breddegrader (70 S) til høje nordlige breddegrader (70 N) mellem 2002 og 2019.

Sådan virker radio-okkultation

Radio-okkultation kan bruges til at fortælle noget om atmosfærens tryk, temperatur og indhold af vanddamp. Navnet radio-okkultation kommer af, at jorden ender med at blokere for målingen af GPS-radiosignalerne, hvor ’okkultation’ betyder ’skjules’. Jorden ’skjuler’ eller rettere dækker med andre ord for radiosignalet.

Teknikken tager udgangspunkt i en satellit, som kredser i en lav bane om jorden, det vil sige i ca. 800 kilometers højde. Satellitten har en GPS-modtager, der modtager GPS-radiosignaler, efter de har passeret nærmest vandret gennem alle atmosfærens lag fra højt oppe og helt ned til jordens overflade. Når GPS-radiosignalerne går vandret gennem atmosfærens lag og ned efter, så vil jorden til sidst blokere for radiosignalet, deraf navnet radio-okkultation (fig 3). 

Når signalet passerer gennem atmosfæren, bliver det altså brudt (afbøjet) undervejs. Størrelsen af brydningen afhænger af temperaturen og vanddampskoncentrationen i atmosfæren. Når vi kender positionen af det sted, hvor satellitten befinder sig – så kan GPS-signalet bruges til at give information om atmosfærens temperatur, tryk og indhold af vanddamp.
Den relative placering mellem GPS-satellitten og den lille jordbane-satellit ændres over tid, og det muliggør derfor en lodret scanning af sammenhængende lag af atmosfæren. Alt dette ender med at give profiler af tryk, temperatur og vanddampskoncentration fra jordens overflade og op til måske 30-40 kilometer.

 

RO skematisk tegning

Figur 3. Skematisk tegning af en radio-okkultationsmåling: Atmosfæren afbøjer radiosignalet på vej fra GPS-satellitten til den meteorologiske satellit i en lav bane omkring jorden. Afbøjningen måles i alle højder fra rummet og ned til jordoverfladen, og ud fra dette kan man bestemme brydningsindekset som funktion af højde - og dernæst den neutrale atmosfærens tæthed, tryk, temperatur og luftfugtighed.


Af Kent B. Lauritsen, Hans Gleisner og Anja Fonseca
6. oktober 2021