地球表面和低层大气越来越热，但在更高处，一场相反的变化已经持续数十年。平流层——距离地面约11至50公里的高空大气层——正在稳定降温。这是人类活动导致气候变化最显著的标志之一。科学家早就观测到这一现象，但其背后的详细物理机制始终未明。

哥伦比亚大学研究团队近日宣布破解了这个谜题。发表于《自然·地球科学》的新研究显示，这一降温过程与二氧化碳（CO₂）在高空大气中与不同波长光的相互作用密切相关。

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"它解释了一个现象——这是气候变化的指纹，数十年来已知存在，却一直未被理解，"研究合著者、哥伦比亚气候学院拉蒙特-多尔蒂地球观测站海洋与气候物理学研究教授罗伯特·平卡斯表示。

近地表处，CO₂像毯子一样截留热量，驱动全球变暖。但在平流层，条件截然不同。这里的CO₂分子更像一套冷却系统：它们吸收从下方上升的红外能量，随后将部分能量重新辐射回太空。随着CO₂浓度升高，平流层释放热量的效率反而提升，导致温度下降。

气候学家真锅淑郎在1960年代通过开创性气候模型首次预言了这一效应，其工作后来获得诺贝尔奖。自1980年代中期以来，平流层已降温约2摄氏度。研究者估算，若无人类产生的CO₂排放，降温幅度将不到现在的十分之一。

然而许多细节长期悬而未决。"现有理论极具洞察力，但我们目前缺乏CO₂致平流层降温的定量理论，"研究第一作者、拉蒙特-多尔蒂地球观测站博士后研究员肖恩·科恩指出。

科恩与平卡斯及哥伦比亚工程与应用科学学院应用物理与应用数学系地球物理学家洛伦佐·波尔瓦尼合作，反复打磨数学模型以模拟平流层降温过程。他们将计算结果与先进气候模拟及实际观测对比，历时数月调整方程，直至结果吻合。

研究发现，决定性因素在于CO₂与红外光（即长波辐射）的相互作用方式。不同红外波长在平流层中的行为各异。