När kommersiella flygplan bryter igenom molnen för att nå marschhöjd, de har vanligtvis anlänt till stratosfären, det andra lagret i jordens atmosfär. Luften där uppe är torr och klar, och mycket lugnare än den turbulenta atmosfären vi upplever på marken.

Och ändå, för all sin till synes lugn, stratosfären kan vara ett kraftfullt transportband, dra luft upp från jordens ekvatorialregion och skjuta tillbaka den mot polerna i ett kontinuerligt cirkulerande mönster. Styrkan i denna cirkulation kan avsevärt påverka mängden vattenånga, kemikalier, och ozon transporteras runt planeten.

Nu forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap (EAPS) har för första gången bestämt styrkan i stratosfärens cirkulation, baserat på observationer av viktiga kemikalier som reser inom detta atmosfäriska skikt.

I ett papper publicerat idag i tidningen Naturgeovetenskap , laget rapporterar att stratosfären drar cirka 7 miljarder kilo luft upp genom tropikerna per sekund, över hela världen, på cirka 20 kilometers höjd. Forskarna uppskattar att det genomsnittliga luftpaketet kan spendera cirka 1,5 år inom detta lager innan det cirkulerar tillbaka till nedre lagren av atmosfären.

Den nya uppskattningen kan hjälpa forskare att bedöma var och hur länge vattenånga, ozon, och växthusgaser förblir inom stratosfären. Forskare kan också använda teamets metod för att bestämma framtida förändringar i stratosfärens styrka - viktig information för att spåra återhämtningen av ozonhålet och utvecklingen av den globala uppvärmningen.

Tidningens huvudförfattare är Marianna Linz, en tidigare doktorand i EAPS som nu är postdoc vid University of California i Los Angeles; och Alan Plumb, emeritusprofessor i EAPS; tillsammans med forskare från New York University, Karlsruhe Institute of Technology, National Center for Atmospheric Research, Cambridge universitetet, och Caltech.

Kemiska varv

Stratosfärens cirkulation är känd för forskare som den meridionala välten, med hänvisning till det mönster där luft dras upp i stratosfären nära ekvatorn och transporteras längs jordens meridianer, eller längsgående linjer, innan de dras tillbaka ner vid polerna. Forskare har försökt mäta styrkan i denna vältande cirkulation, koncentrerar sig främst på den hastighet med vilken vattenånga stiger genom stratosfären nära ekvatorn.

"Andra har tittat på den här delen av ekvatorn där de tror att det mesta kommer upp, och de har försökt karakterisera detta med hjälp av vattenånga, "Säger Linz." Men det är bara att titta på denna trånga region, och det är svårt att utläsa hur resten av upplagan ser ut. "

Linz, Lod, och deras kollegor tog en mer global strategi, använder sig av atmosfäriska mätningar av två atmosfäriska kemikalier, svavelhexafluorid och lustgas, tagna runt om i världen av satelliter, väderballonger, och flygplan. De ansåg att dessa kemikalier var idealiska kandidater att spåra, eftersom de inte har några "stratosfäriska sänkor, "eller metoder genom vilka koncentrationen av dessa gaser skulle förändras när de nådde stratosfären.

"Tanken är att det som går upp måste komma ner, "Säger Linz.

Forskarna sammanställde mätningar av båda kemikalierna mellan 2007 och 2011, med tanken på att uppskatta hur lång tid dessa kemikalier tog att komma in, gå sedan ut, stratosfären. De slog igenom mätningarna, notera varje kemikalies koncentrationer i givna luftpaket i hela stratosfären
på olika platser och höjder.

Särskilt, de tittade över tiden för att identifiera luftpaket som stiger upp i tropikerna, och senare, paket luft med samma koncentration av kemikalier, dras tillbaka ner vid stolparna.

De menade att tidsfördröjningen mellan stigningen och sjunkningen skulle indikera den tid paketet tillbringade i stratosfären. En enkel beräkning, tar hänsyn till den totala luftmassan i stratosfären, skulle ge den hastighet med vilken paketet färdades genom stratosfären, vilket i huvudsak återspeglar cirkulationsstyrkan.

"Om du tänker på en tävlingsbana, och någon gör ett varv på den banan, du kan mäta tiden de gick in på spåret, och tiden de kom ut ur det, och du kan beräkna deras genomsnittliga hastighet runt banan om du känner till spåravståndet, "Plumb förklarar." Så det här är så, på ett sätt."

Luften där uppe

Teamet utförde dessa beräkningar och gjorde ett genomsnitt av resultaten för olika höjder över hela stratosfären. Deras beräkningar för båda kemikalierna överensstämde nästan perfekt på lägre höjder på cirka 20 kilometer, ger en cirkulationsstyrka på cirka 7 miljarder kilo per sekund - jämförbar i storlek med styrkan i den omkastande cirkulationen i havet.

"Det viktigaste att veta när det gäller påverkan på klimatförändringar och ozon är hur denna cirkulationsstyrka är på denna lägre höjd, för det är det som levererar kemikalier till stratosfären, "Säger Plumb.

Linz och Plumb jämförde sina uppskattningar med förutsägelser om stratosfärisk cirkulation som gjorts av flera klimatmodeller, och fann att deras uppskattning överensstämde med vissa modeller men inte andra. Linz säger att teamets nya uppskattning, och metoden för att beräkna stratosfärens styrka, kan bidra till att förbättra modellprognoser om uppvärmning och ozonutveckling.

"Om klimatmodeller får sin stratosfärcirkulation fel, de får förmodligen sina ozonfördelningar fel, som kommer att ha bestämda effekter på vad de [förutsagda] trenderna är för global uppvärmning, "Linz säger." Så att ha detta riktmärke är verkligen värdefullt. "

Forskarna arbetar för att få fler mätningar, högre i stratosfären, att bättre karakterisera stratosfärens styrka på högre höjder såväl som inom lägre lager.

"Vi har den här informationen och kan säga vad styrkan är på denna nivå, men eftersom vi inte har data högre upp, vi kan inte säga nästan lika mycket. Så vi behöver verkligen bättre observationer i den övre stratosfären, "Säger Linz.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.