De invecklade sätten som vattenånga, iskristaller och andra aerosoler kombineras i jordens atmosfär kan dramatiskt förändra planetens övergripande ljusstyrka, vilket skapar en unik signatur som kan upptäckas från rymden. Känd som det planetariska utsläppsfingeravtrycket, kan denna signal inte bara hjälpa klimatforskare att bättre observera effekterna av den globala uppvärmningen utan kan också en dag användas för att bedöma beboeligheten hos avlägsna exoplaneter. Att förstå dess egenskaper är dock utmanande, eftersom planetära utsläpp inte bara bestäms av den totala mängden vattenånga, aerosoler och is i scenen – gemensamt känd som relativ fuktighet – utan också av atmosfärens vertikala struktur, som hittills har varit svår att mäta.

Nu har ett team som leds av forskare från Storbritanniens University of Leicester och som involverar deltagare från U.S. Department of Energys (DOEs) Brookhaven National Laboratory identifierat ett sätt att härleda detaljer om den vertikala sammansättningen av jordens atmosfär från passiva observationer. Deras metod går ut på att göra mätningar från flera våglängder och kombinerar markbaserade observationer med data från NASA-satelliter, såsom Atmospheric Infrared Sounder (AIRS). Teamet, inklusive Brookhaven atmosfärsforskare Hang Sun, rapporterar sina resultat i tidskriften Geophysical Research Letters.

"Det är välkänt att moln och aerosoler har en inverkan på atmosfärens ljusstyrkatemperatur. Men för att förstå klimatet – antingen idag eller på exoplaneter – måste vi också förstå den vertikala fördelningen av aerosoler och vattenånga", säger Stephen Engelska vid University of Leicesters School of Physics and Astronomy, huvudförfattare till studien. "Fram till nu har vi bara haft en handfull ögonblicksbilder från aktiva sensorer ombord på satelliter som kan ge den informationen. Passiva mätningar täcker hela jordklotet mycket mer detaljerat, men de saknar den vertikala strukturen."

Det här laget hittade en smart lösning som bygger på tidigare teoretiskt arbete utfört av medförfattaren Paul O. Wennberg, även han vid University of Leicester. När atmosfären är precis lagom – varm och fuktig, men med en sval yta – absorberas infraröd strålning som sänds ut av planetens yta nästan helt av de låga lagren i atmosfären. När strålningen stiger frigörs mycket av den, och en del tar sig ända ut i rymden. Överbliven strålning är den del som instrument som sitter på satelliter passivt upptäcker, och dess spektrala signatur kan subtilt ändras av atmosfärens vertikala struktur.

"Dessa mycket varma och fuktiga förhållanden händer över tropiska regioner där det finns mycket djup konvektion," sa Sun. "Dessa konvektionsplymer är mycket effektiva för att fukta och kyla den övre troposfären, och detta förändrar atmosfärens vertikala struktur."

Teamet använde två våglängder - en mycket känslig för vattenånga, den andra för den kombinerade påverkan av vattenånga och aerosoler - för att identifiera förhållanden där de bäst kunde observera den vertikala strukturen av jordens atmosfär från rymden. De fann att regioner som domineras av djup konvektion kan användas som "fönster" för att undersöka de högre delarna av atmosfären. De kan också ge information om den nedre delen av atmosfären samtidigt, vilket hjälper till att skilja mellan vattenånga, moln och aerosoler.

"Med den här metoden kan vi hämta vertikala profiler i både den övre troposfären/nedre stratosfären och nedre troposfären för specifika förhållanden," sa Sun. "Detta kan vara värdefull information för klimat- och jordsystemmodeller."

Teamet hoppas att deras metod kan tillämpas på observationer gjorda av nuvarande och kommande polära satelliter för att sluta sig till den vertikala strukturen av jordens atmosfär under varma, fuktiga förhållanden över hela världen. När tekniken fortsätter att förbättras kan denna metod användas för att upptäcka potentiella tecken på beboelighet på avlägsna exoplaneter.