Teplota stratosféry

Co pozorujeme

Teplotou stratosféry označujeme teplotu vzduchu mezi tropopauzou a stratopauzou, přibližně od 10 do 50 kilometrů nad zemským povrchem. Zjišťuje se balóny a družicemi v několika výškách nebo jako průměr přes širší vrstvu. Výsledná hodnota vždy patří k určené části stratosféry, místu a době.

Stratosféra nezačíná všude ve stejné výšce. Tropopauza leží v průměru přibližně 6 kilometrů nad póly, kolem 9–12 kilometrů ve středních zeměpisných šířkách a až 18–20 kilometrů nad tropy. Horní hranice, stratopauza, leží přibližně ve výšce 50 kilometrů. Proto může hladina 100 hPa představovat dolní stratosféru v jedné oblasti a blízkost tropopauzy v jiné. NOAA: vrstvy atmosféry

Svislá osa obrázku také vysvětluje, proč se teplota stratosféry nevyjadřuje jedním teploměrem ani jediným číslem pro celou vrstvu. V dolní stratosféře bývá vzduch chladnější než ve vyšších částech a jeho teplota se během roku i mezi zeměpisnými oblastmi mění. Úplný údaj proto obsahuje výšku nebo tlakovou hladinu, zeměpisné pokrytí, časový průměr, jednotku a u odchylky také referenční období.

Toto vymezení používají práce založené na různých měřicích systémech. Free a kol. a Thorne a kol. sestavili teplotní záznamy na standardních tlakových hladinách z radiosond. Mears a Wentz popsali družicovou teplotu dolní stratosféry jako průměr široké vrstvy. Zou a Qian stejným způsobem spojili měření střední a horní stratosféry a Steiner a kol. později porovnali balóny, několik družicových přístrojů, lidary a rádiová zákrytová měření. Každá práce uvádí, kterou výšku nebo vrstvu její výsledek skutečně zastupuje. Free et al., 2005, Thorne et al., 2005, Mears & Wentz, 2009, Zou & Qian, 2016 a Steiner et al., 2020

Historie měření

První přímé teplotní profily vysoké atmosféry vznikly pomocí registračních přístrojů zavěšených pod bezpilotními balóny. Už v roce 1893 některé výstupy ukázaly, že teplota nad určitou výškou přestává klesat. Výsledek byl zpočátku považován za ohřev přístroje slunečním zářením. Léon Teisserenc de Bort proto shromáždil stovky dalších výstupů, mnoho z nich v noci.

Teisserenc de Bort oznámil 28. dubna 1902 Francouzské akademii věd existenci horní téměř izotermické oblasti. Richard Assmann zveřejnil o několik dní později obdobný výsledek z německých měření. Dobová zpráva uvádí 540 balónových výstupů z Trappes, z nichž 268 překročilo 11 kilometrů. Pozorovaná změna svislého průběhu teploty se stala základem rozdělení atmosféry na troposféru a stratosféru. Monthly Weather Review, 1902, Rochas, 2002 a Baldwin et al., 2019

Starší registrační balón po přistání teprve vydal papírový nebo fotografický záznam. Robert Bureau ve Francii v roce 1929 vypustil přístroj, který teplotu během letu vysílal rádiem, a zavedl označení radiosonda. Ve třicátých letech vznikly praktické konstrukce v Sovětském svazu, Finsku, Německu a Spojených státech. Pravidelné provozní sítě se rozšířily před druhou světovou válkou a během ní. NIST: vývoj radiosond a NOAA/NWS: historie měření

Z jednotlivých provozních letů vznikl dlouhý klimatický záznam až po výběru stanic a opravě změn přístrojů. Soubor Radiosonde Atmospheric Temperature Products for Assessing Climate, zkráceně RATPAC, začíná rokem 1958, kdy už síť dovoluje počítat velkoplošné průměry. Jeho autoři zvolili 85 pevninských stanic a 13 tlakových hladin. Rok 1958 proto neoznačuje první radiosondu, ale začátek konkrétního pravidelně zpracovávaného globálního produktu. Free et al., 2004 a Free et al., 2005

Družice TIROS-N, vypuštěná 13. října 1978, nesla mikrovlnný přístroj Microwave Sounding Unit (MSU) pro dolní stratosféru a infračervený Stratospheric Sounding Unit (SSU) pro střední a horní stratosféru. Následující družice NOAA vytvářely překrývající se měření až do roku 2005. Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) od roku 1998, Microwave Limb Sounder (MLS) od roku 2004 a později Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) umožnily pokračovat i po skončení původních MSU a SSU. Souvislé globální družicové záznamy proto začínají na konci roku 1978. NASA/NOAA: přehled družic a NCAR Climate Data Guide

Třetí způsob přibyl na začátku 21. století. Družice CHAMP začala v roce 2001 sledovat, jak se rádiový signál navigačních družic ohýbá při průchodu atmosférou. Z těchto zákrytových měření lze odvodit svislé profily teploty. Jejich globální klimatické zpracování začíná v roce 2002 a poskytuje další měření založené na odlišném fyzikálním principu. Wickert et al., 2004 a klimatický soubor centra CDAAC

Co se skutečně měří

Radiosonda: teplota během jednoho výstupu

Současná radiosonda je malá jednorázová měřicí souprava zavěšená pod balónem naplněným heliem nebo vodíkem. Teplotní čidlo je vystavené proudícímu vzduchu, tlakové čidlo určuje tlakovou hladinu a poloha se sleduje pomocí družicové navigace. Přístroj vysílá hodnoty každou sekundu přijímači na zemi. Typický výstup trvá déle než dvě hodiny a může překročit 35 kilometrů. NOAA/NWS: radiosondové pozorování

Jediný let vytvoří svislý profil podél dráhy balónu. Balón při výstupu zároveň unáší vítr, takže nejvyšší část profilu může ležet stovky kilometrů od místa vypuštění. Pro mezinárodní výměnu se z podrobného profilu ukládají také hodnoty na standardních tlakových hladinách, například 100, 70, 50 a 30 hPa. Celosvětová síť má přibližně tisíc stanic a běžně dosahuje 30 kilometrů nebo výše. Horní stratosféru kolem 45–50 kilometrů tato provozní síť pokrývá jen omezeně. WMO Global Observing System

Sluneční záření může čidlo během dne ohřát a v řídkém vzduchu se jeho vliv zvětšuje. Výrobci a meteorologické služby proto používají stínění, malé rychle reagující snímače a korekce závislé na typu přístroje, výšce a osvětlení. Přesný postup se mezi generacemi radiosond měnil. Klimatické zpracování musí znát datum těchto změn, protože výměna čidla může v místním záznamu vytvořit skok. WMO Guide to Instruments and Methods of Observation

Družice: teplota široké vrstvy

Mikrovlnné sondéry MSU, AMSU-A a ATMS měří záření molekulárního kyslíku v pásmu kolem 60 gigahertzů. Kyslík je v atmosféře dobře promíchaný a intenzita záření nese informaci o teplotě vzduchu. Přístroj nejprve zaznamená elektrický signál, který se kalibrací převede na jasovou teplotu. Ta vyjadřuje teplotu, jež by při stejné intenzitě vyzařovala ideální černá plocha.

Jeden kanál zachytí záření z mnoha výšek současně. Jeho váhová funkce ukazuje, odkud přichází největší část signálu. Kanál označovaný TLS, z anglického temperature lower stratosphere, je nejcitlivější přibližně v 17 kilometrech a zastupuje dolní stratosféru zhruba mezi 13 a 22 kilometry. Původní SSU měřil infračervené záření oxidu uhličitého ve třech ještě širších kanálech. Jejich maxima leží přibližně ve 30, 38 a 45 kilometrech. Mears & Wentz, 2009 a Zou et al., 2014

TLS: dolní stratosféra, přibližně 13–22 km; maximum kolem 17 km.

SSU1: široká vrstva přibližně 20–40 km; maximum kolem 30 km.

SSU2: široká vrstva přibližně 25–45 km; maximum kolem 38 km.

SSU3: široká vrstva přibližně 35–55 km; maximum kolem 45 km.

Obrázek je klíčem ke čtení všech dalších hodnot. Teplota TLS není teplotou přesně v 17 kilometrech a SSU3 není teplotou přesně ve 45 kilometrech. Jde o průměry s největší citlivostí poblíž těchto výšek a s menším příspěvkem z okolí. Dva kanály se navíc částečně překrývají. Vzájemně porovnat lze pouze produkty se stejnou nebo přepočtenou váhovou funkcí.

Rádiový zákryt: teplotní profil z ohybu signálu

Navigační družice vysílá rádiový signál a druhá družice na nízké oběžné dráze jej sleduje při západu za zemský okraj. Atmosféra signál zpomalí a ohne. Z přesného času a fáze se nejprve vypočte úhel ohybu a index lomu, z nich tlak a nakonec svislý profil takzvané suché teploty. Ve stratosféře, kde je málo vodní páry, se tento výpočet používá přímo.

Měření nepotřebuje klasickou teplotní kalibraci a funguje za oblačnosti. Jeden zákryt poskytne jemně rozlišený profil, zatímco měsíční klimatický produkt spojuje tisíce profilů z několika družic. Současný soubor COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC) začíná v březnu 2002, nabízí teplotu mezi 10 a 40 kilometry na výškovém kroku 200 metrů a ukládá ji v zeměpisné mřížce 5° × 10°. klimatický soubor CDAAC a Gleisner et al., 2020

Jak vzniká zveřejněný záznam

1. Jednotlivé profily projdou kontrolou

U radiosond se kontrolují souřadnice, čas, tlak, výška a fyzikálně možné změny mezi sousedními body. Archiv Integrated Global Radiosonde Archive (IGRA) zachovává podrobná měření i standardní tlakové hladiny a přidává značky kvality. U družicových dat začíná kontrola u radiance každého záběru. U rádiových zákrytů se vyřadí profily, které nesplní kontrolu přesnosti dráhy, signálu a odvozených veličin. Tyto archivy tvoří vstup pro měsíční klimatické produkty. Durre et al., 2018

2. Radiosondy se porovnají v čase

Stanice může během desítek let vystřídat několik typů radiosond, výpočetních postupů i časů vypouštění. Změna se hledá v doprovodných záznamech a porovnáním s okolními stanicemi. Lanzante, Klein a Seidel sestavili ručně posouzený soubor 87 stanic. Haimberger později vyvinul automatické postupy RAOBCORE a RICH, které využívají rozdíly vůči okolním pozorováním a meteorologickým analýzám. Výsledkem jsou alternativní opravené verze, nikoli jeden neomylný přepis minulosti. Lanzante et al., 2003, Haimberger, 2007 a Haimberger et al., 2012

3. Z vybraných stanic se vytvoří velkoplošný průměr

RATPAC-A používá 85 dlouhých pevninských záznamů. Pro období 1958–1995 vychází z dříve opravených měsíčních hodnot. Od roku 1996 nejprve počítá rozdíl mezi sousedními měsíci u jednotlivých stanic, teprve potom tyto rozdíly spojuje do velkých zeměpisných oblastí a z nich obnoví dlouhodobý průběh. Postup omezuje vliv skoků a mezer, zároveň však přidává nejistotu tam, kde je stanic málo. Free et al., 2004 a NOAA RATPAC v2

4. Každá družice se nejprve kalibruje samostatně

Sondér během každého skenu sleduje Zemi i vnitřní teplý kalibrační terč a u mikrovlnných přístrojů také chladný vesmír. Z těchto referencí se elektrický signál převádí na radianci. Dále se opravuje závislost na úhlu pohledu, nelinearita přijímače a pomalá změna kalibrace. Výsledkem je mřížka teplot pro jeden přístroj a jeden kanál.

5. Překrývající se družice se spojí

Žádná jednotlivá družice neměřila od roku 1978 dodnes. Klimatický záznam vzniká ze šestnácti nebo více přístrojů, které se po určitou dobu překrývají. Během překryvu lze určit jejich rozdíl. Zpracování také koriguje posun místního času přeletu, protože dráha družice se postupně mění a stejnou oblast může po letech pozorovat v jinou denní dobu. Právě volba kalibrace, překryvů a korekce dráhy tvoří hlavní rozdíl mezi produkty NOAA, RSS a UAH. Zou & Wang, 2011, Mears et al., 2011 a Spencer et al., 2017

6. Staré a nové kanály dostanou stejnou výškovou citlivost

Původní MSU, novější AMSU-A a dnešní ATMS nemají zcela stejné kanály. Pro dolní stratosféru se spojuje MSU kanál 4, AMSU-A kanál 9 a ATMS kanál 10. Ve střední a horní stratosféře se několik užších kanálů AMSU-A matematicky složí tak, aby napodobily široké váhové funkce SSU1, SSU2 a SSU3. Druhý nezávislý postup aplikuje tytéž funkce na podrobnější profily přístroje MLS. Obě pokračování původního SSU pak lze přímo porovnat. Zou & Qian, 2016 a Randel et al., 2016

7. Měsíční mapy se převedou na globální hodnotu

Družicové produkty nejprve skládají jednotlivé záběry do pravidelné zeměpisné mřížky. NOAA v5 používá buňky 2,5° × 2,5°. Měsíční globální průměr se počítá s vahou odpovídající ploše buněk, aby úzké buňky u pólů neměly stejný vliv jako větší buňky u rovníku. Od každého kalendářního měsíce se může odečíst jeho průměr v referenčním období. Výsledná křivka pak ukazuje odchylky, nikoli absolutní teplotu celé stratosféry.

8. Nejistota se posuzuje porovnáním více zpracování

U radiosond zahrnuje nejistota změny přístrojů, řídké prostorové pokrytí a volbu homogenizačního postupu. U družic zahrnuje kalibraci, spojení přístrojů, posun doby přeletu a odlišné váhové funkce. Mears a kol. vytvářejí mnoho přípustných variant korekcí, zatímco současné přehledy zároveň porovnávají výsledky RSS, NOAA a UAH. Shoda více zpracování stejného signálu zmenšuje nejistotu metody, ale nepředstavuje tři nezávislé soustavy družic. Mears et al., 2011 a Steiner et al., 2020

Zveřejňovaná data

Níže jsou hlavní veřejné produkty, z nichž lze převzít hodnoty nebo provést vlastní výpočet. Název vrstvy, verze a období musí zůstat u každého grafu, protože stejně pojmenované soubory se při nové kalibraci mohou změnit.

Srovnání družicových dat

Následující graf spojuje čtyři výškové oblasti do jednoho obrazu. Každá křivka zobrazuje globální měsíční odchylku po odečtení obvyklého ročního chodu. Dolní stopa patří TLS, tři vyšší stopy postupně SSU1, SSU2 a SSU3. Šedá přerušovaná čára je nula příslušné stopy a svislé měřítko od −1 do +1 °C se používá pro každou stopu zvlášť. Křivky jsou od sebe posunuté pouze proto, aby se nepřekrývaly.

U TLS představují tři červené odstíny zpracování UAH, NOAA a RSS. Vycházejí převážně ze stejných družicových radiancí, ale používají vlastní kalibraci a korekce. U SSU1 až SSU3 porovnává oranžová křivka pokračování pomocí AMSU-A a modrá pokračování pomocí MLS. Jejich podobnost po roce 2004 je důležitá, protože novější části vznikly z odlišných přístrojů a zpracovatelských postupů.

TLS, dolní stopa: asi 13–22 km; UAH, NOAA a RSS v červených odstínech.

SSU1: široká vrstva s maximem kolem 30 km.

SSU2: široká vrstva s maximem kolem 38 km.

SSU3, horní stopa: široká vrstva s maximem kolem 45 km.

Oranžová: návaznost původního SSU vytvořená z měření AMSU-A.

Modrá: návaznost původního SSU vytvořená z profilů MLS.

Graf dovoluje číst tři vlastnosti současně. Všechny čtyři stopy končí níže než na začátku. Pokles je větší ve střední a horní stratosféře než v TLS. Průběh také není rovná čára: obsahuje krátké vrcholy, víceleté vlnění i období s malou čistou změnou. Jediné číslo sklonu proto vždy potřebuje počáteční a koncový rok.

Pozorování

Globální družicová měření ukazují, že dolní, střední i horní stratosféra jsou dnes chladnější než na začátku souvislého pozorování na konci roku 1978. Velikost a časový průběh změny se s výškou liší. Největší pokles v globálním průměru vykazuje horní ze sledovaných vrstev.

Steiner a kol. porovnali nejnovější verze družicových produktů s radiosondami, lidary a rádiovými zákryty pro období 1979–2018. Z globálních dat NOAA/STAR vypočítali běžnou lineární regresí změnu −0,25 ± 0,16 K za desetiletí pro TLS, −0,56 ± 0,13 K pro SSU1, −0,62 ± 0,13 K pro SSU2 a −0,70 ± 0,14 K pro SSU3. Znaménko minus znamená pokles. Uvedené hodnoty ± jsou nejistoty sklonu, které autoři připojili ke konkrétnímu statistickému výpočtu. Steiner et al., 2020

Za 39 let tohoto období odpovídají uvedené sklony přibližně poklesu o 1 °C v TLS, 2,2 °C v SSU1, 2,4 °C v SSU2 a 2,7 °C v SSU3. Jde o změnu globálního průměru širokých vrstev mezi začátkem a koncem lineárního proložení. Teplota na jednotlivém místě nebo v jednotlivém měsíci se od tohoto průměru může lišit o několik stupňů a krátkodobě se může pohybovat opačným směrem.

Dolní stratosféra vykazuje dva výrazné teplé vrcholy na začátku osmdesátých a devadesátých let a následné prudké poklesy. Od poloviny devadesátých let se její globální křivka pohybuje převážně v užším pásmu a dlouhodobý sklon za kratší novější období je menší než sklon od roku 1979. Tento tvar se objevuje v RSS, NOAA i UAH a také v radiosondových zpracováních. Randel et al., 2009, Seidel et al., 2016 a Steiner et al., 2020

Ve střední a horní stratosféře pokračuje pokles i v novější části grafu. Dvě návaznosti původního SSU, oranžová SSU+AMSU a modrá SSU+MLS, mají po roce 2004 podobný průběh. Další nezávislé měření přidal přístroj Optical Spectrograph and InfraRed Imager System (OSIRIS). Dubé a kol. spojili jeho profily s SSU3 a pro období 1979–2021 dostali poblíž 45 kilometrů pokles přibližně 0,6 K za desetiletí. Samostatné profily OSIRIS, MLS a infračerveného přístroje Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER) se pro roky 2005–2021 rovněž shodly na poklesu v horní stratosféře. Randel et al., 2016 a Dubé et al., 2024

Rádiová zákrytová měření poskytují od roku 2002 podrobnější svislé profily. Jejich období je příliš krátké pro přímé zopakování celého výpočtu od roku 1979, ale ve společném období potvrzují pokles v dolní stratosféře a umožňují sledovat, jak se změna liší po kilometrových výškách. Výsledky několika zpracovatelských center se v globálním a šířkovém průměru navzájem blíží. Steiner et al., 2009 a Gleisner et al., 2022

Nejnovější uzavřený roční přehled v tomto článku končí rokem 2024. Zpráva State of the Climate uvádí, že globální průměr dolní, střední a horní stratosféry se během roku 2024 mírně zvýšil. Celé období 1979–2024 přesto zůstává ve všech těchto vrstvách klesající. Jeden teplejší rok tedy změnil poslední bod křivky, ale neobrátil mnohadesetiletý rozdíl mezi jejím začátkem a koncem. State of the Climate in 2024

Prameny, data a licence