בסמוך לפני כדור הארץ, ריכוזים הולכים וגדלים של פחמן דו חמצני באטמוספירה גורמים לעלייה בטמפרטורות. יחד עם זאת, החל מגובה של 60 ק"מ ומעלה, בשכבות הגבוהות ביותר של האטמוספירה, הנקראות מזוספירה ותרמוספירה תחתונה, הופך הפחמן הדו חמצני לגורם מקרר. ההשערה שתהליך הקירור וההתכווצות הזה מתקיים, קיימת כבר למעלה משלושה עשורים, אך כעת, מחקר חדש חושף את העדויות הראשונות לכך באופן מוכח.
המחקר החדש פורסם בכתב העת Journal of Geophysical Research: Atmospheres, שבו השתמשו החוקרים בנתונים מלווייניים של לחץ וטמפרטורה, כדי להראות שהמזוספירה והתרמוספירה התחתונה, התכווצו ביותר מ-1.3 ק"מ בין 2002 ל-2019 - 340 מטרים בשל ריכוז של פחמן דו חמצני בשתי השכבות העליוניות ביותר באטמוספירה והיתר כתוצאה מירידה בפעילות הסולארית בתקופה זו.
ברגע שהמזוספירה והתרמוספירה התחתונה מתקררות ומתכווצות, מתחיל תהליך שעתיד להוביל להגדלת אורך החיים של פסולת חלל בגבהים גבוהים יותר, כולל התרמוספירה העליונה, מה שמסכן כל גוף שנע במסלול נמוך בחלל. עשרות אלפי פיסות ידועות של פסולת חלל, ממטרואידים טבעיים ועד "זבל טכנולוגי" מקיפים כיום את כדור הארץ. פסולת חלל הם עצמים הנעים במסלול סביב כדור הארץ, וכוללים שלבי משגרי לוויינים וחלליות, לוויינים שפסקו מלפעול, רסיסי צבע, אבק, חלקי מנועי משגרים, נוזלי קירור ופסולת נוספת שאיננה תוצרת אדם, כמו למשל מטאורואידים טבעיים.
מודלים במחקר קודם, שפורסם בכתב העת Geophysical Research Letters, חזו כי התקררות בתרמוספירה תביא לא רק לירידה של כ-33% ביכולת לנקות את פסולת החלל, אלא תאריך את תקופת החיים שלה ב-30% עד 2070. "מצד אחד, הלוויינים עתידים לנוע זמן רב יותר בחלל, וזה נהדר, אך מצד שני גם פסולת החלל תישאר זמן רב יותר, ותגדיל בכך את ההסתברות שלוויינים וכלי חלל יקרי ערך אחרים יצטרכו להתאים את הנתיבים בהם ינועו כדי להימנע מלהתנגש בהם", אמר מרטין מלנצ'אק, המחבר הראשי של כתב העת Journal of Geophysical Research: Atmospheres ומדען מחקר בכיר במרכז המחקר לנגלי של נאס"א. "פסולת חלל עמידה יותר עלולה להגדיל את עלויות ביטוח החלל ולהוות שיקול מרכזי בקביעת דיני החלל ובהחלטות המדיניות העתידיות".
התרמוספירה היא השכבה הגבוהה ביותר של האטמוספירה לפני מה שנחשב כחלל או האקסוספירה. שכבת התרמוספירה מוגדרת על ידי לחץ אטמוספרי, אך בדרך כלל משתרעת על פני גבהים של כ-90-80 ק"מ ועד 1,000-500 ק"מ, מעל פני כדור הארץ (המזוספירה נמצאת ממש מתחתיה). בניגוד לאטמוספירה הקרובה לפני כדור הארץ, התרמוספירה מורכבת בעיקר מחמצן וחנקן.
רוב קרינת ה-UV הנכנסת של השמש, נספגת בחמצן, מחממת את התרמוספירה וגורמת לה להתרחב. החימום משתנה ממחזור שמש אחד למשנהו ויש לו תפקיד חשוב בקביעת הטמפרטורה של התרמוספירה ובהתכווצותה או בהתרחבותה. בגובה נמוך באטמוספירה, פחמן דו חמצני סופג אנרגיה, פולט אותה כלפי מטה ומחמם את האטמוספירה. למרות זאת, במזוספירה ובתרמוספירה התחתונה, שבהן האטמוספירה דקה באופן משמעותי, מולקולות פחמן דו חמצני קולטות אנרגיה נכנסות ופולטות קרינת אינפרא אדום חזרה אל החלל, ובכך עוזרות לקרר את האטמוספירה הגבוהה. ריכוזים גבוהים יותר של פחמן דו חמצני במזוספירה ובתרמוספירה התחתונה, שולחים יותר אנרגיה חזרה לחלל, כך שכל התהליך הזה יחד עם תנודות בפעילות השמש, מניע את ההתכווצות. למעשה, ריכוזי הפחמן הדו חמצני במזוספירה ובתרמוספירה גדלו בהתאם לריכוזים על פני כדור הארץ, כשמדענים חזו בשנות ה-80 שקירור והתכווצות שכאלה עתידים לקרות, אך המחקר הנוכחי הוא הראשון שהדגים זאת ממש, באמצעות תצפיות גלובליות על תהליך ההתכווצות.
כשהתרמוספירה מתקררת, היא מתכווצת ומביאה לצפיפות נמוכה יותר. בשל כך, לוויין בגובה נתון בתרמוספירה חווה כעת אוויר פחות צפוף יחסית, ולכן פחות מצליח לנקות את פסולת החלל, מאשר מה שקרה לפני העלייה בריכוז הפחמן הדו חמצני. במחקר הנוכחי, נעשה שימוש בנתוני טמפרטורה ולחץ מהלוויין TIMED של נאס"א (נמצא בשנה ה-21 שלו, למרות שבמקור היה מדובר על משימה של שנתיים), על מנת לגלות את דפוסי הקירור וההתכווצות החזויים.
החוקרים מצאו שהגובה הרב ביותר של המזוספירה והתרמוספירה התחתונה התקרר ב-1.7 מעלות צלזיוס והתכווץ ביותר מק"מ בודד בין 2002 ל-2019, בין היתר הודות לכך שמחזור השמש היה חלש, מה שאיפשר לחוקרים להפריד בין ההשפעות של פחמן דו חמצני וקרינת השמש על הטמפרטורות האטמוספריות (בגבהים הגבוהים ביותר בשתי השכבות שנבדקו, מחזור השמש החלש ב-20 השנים האחרונות, היה אחראי לרוב ההתקררות שנמדדה ואף התגברה עם העלייה בריכוז הפחמן הדו חמצני). "בכל גובה יש התקררות והתכווצות שאנו מייחסים בין השאר להגברת כמות הפחמן הדו-חמצני. כל עוד פחמן דו חמצני גדל בערך באותו קצב, אנו יכולים לצפות ששיעורי שינויי הטמפרטורה הללו יישארו גם הם בערך קבועים, בערך בהתקררות של חצי מעלת קלווין לעשור", הסביר מלנצ'אק.
