Jordens ekstreme kulderekorder er næsten umulige at måle

Den russiske forskningsstation Vostok ligger i 3.488 meters højde og 1.283 kilometer fra den geografiske sydpol og er bemandet året rundt.

Forskningsstationen har målt temperaturer næsten uden ophold, siden den blev etableret af det tidligere Sovjetunionen i 1957, og har dermed leveret et unikt klimadatasæt fra et område, der ellers er sparsomt med data fra.

Når det er sommer på den nordlige halvklode, er det som bekendt vinter på den sydlige, og i perioden fra 23. april til 21. august ligger Vostok i mørke døgnet rundt.

Derfor er det i og omkring dette tidsrum, at der måles de laveste temperaturer. Og 21. juli 1983 målte man ved Vostok den laveste temperatur på Jorden, nemlig -89,2 °C.

Men måske er denne kulderekord faktisk siden blevet slået.

Nye kulderekorder?

En gruppe amerikanske forskere har for nyligt studeret usædvanlige revner på sneoverfladen af den højeste del af den østantarktiske iskappe, som man mener skyldes den ekstreme kulde.

Man ønskede et bud på, hvor koldt det kunne blive her, men desværre havde man ikke konventionelle temperaturmålinger på stedet.

I stedet estimerede man temperaturen ud fra målinger fra forskellige satellitter lidt over 30 år tilbage i tiden.

Disse blev publiceret sidste år, og data fra den nye Landsat 8-satellit (i operationelt kredsløb siden 10. april 2013) samt de lidt ældre Terra- (i drift siden 1999) og Aqua- (i drift siden 2002) satellitter, gav meget detaljerede temperaturkort.

Kortene afslørede temperaturer helt ned til -93,2 °C i Antarktis. Endvidere fremgik det, at den hidtidige kulderekord fra Vostok blev slået i flere af årene i den lidt over 30 år lange tidsperiode, man havde kigget på.

Men hvor pålidelige er disse temperaturmålinger fra satellitter, der passerer hundreder af kilometer over Jordens overflade?

Temperaturmålinger fra satellit

Enhver overflade udsender varmeenergi i den langbølgede del af strålingsspektret.

Den udsendte energi er proportionel med temperaturen i 4. potens, jævnfør Stefan-Bolzmanns lov (se boksen under artiklen).

Kan man derfor måle den energimængde, en overflade udstråler, kan man også udregne temperaturen ret nøjagtigt, hvis man kender overfladens karakteristik, og denne tilnærmelsesvis kan betragtes som et sort legeme.

Til at måle strålingen fra jordoverfladen fra 750 kilometers højde er Landsat 8, som forskerne har kigget på data fra, udstyret med den bedste form for infrarøde sensorer, man i dag kan fremstille.

Drivhusgasserne absorberes næsten ikke ved særlige bølgelængder

Undervejs fra overfladen (dvs. i Antarktis' tilfælde, fra en iskappe) til satellitten vil noget af strålingen gå tabt, idet en del af den absorberes af atmosfæriske gasser (drivhusgasserne), aerosoler og skyer.

En stor del af absorptionen af de atmosfæriske gasser kan man dog slippe for ved at anvende den del af strålingsspektret, man kalder det infrarøde atmosfæriske vindue.

Ved netop disse bølgelænger absorberer drivhusgasserne ikke – eller næsten ikke – stråling, og atmosfæren forekommer således næsten transparent.

Kun næsten, da ozon absorberer infrarød stråling i dele af 'vinduet' og vanddamp i hele vinduet.

Klart vejr er en forudsætning

Imidlertid er luften på Antarktis så knastør, at der stort set kan ses bort fra vanddampens indflydelse. Satellitterne kan derfor med fordel måle i den del af vinduet, hvor ozonen ikke absorberer.

Og det er netop, hvad de infrarøde sensorer på landsat 8 gør. En effekt, der ikke kan ses bort fra, er skyer, idet en sky jo i princippet er en blanding af vanddamp (gas) og bittesmå partikler i form af vanddråber og/eller iskrystaller.

Så selv i det atmosfæriske vindue absorberer skydråberne eller iskrystallerne noget af den stråling, der udsendes fra Jordens overflade.

Er det derfor skyet, kan man ikke estimere overfladetemperaturen ud fra satellitdata, medmindre man er i stand til at lave en meget kompleks beregning, der fjerner skyernes effekt i strålingsberegningen.

Det er dog ikke noget problem i forhold til at måle kulderekorder, da klart vejr netop er en forudsætning for, at det kan blive rigtigt koldt!

Det koldeste sted på Jorden

I koldt og klart vejr er temperaturer udregnet ud fra satellitdata altså ret præcise.

Nyere satellitter har forbedrede sensorer, og Landsat 8 kan faktisk præstere en måleopløsning på hele 100 meter i det udregnede temperaturfelt (som grafisk kan konverteres til 50 meter).

Herved har man fremstillet det mest detaljerede temperaturkort til dato, der viser små detaljer og afvigelser i temperaturfeltet ved overfladen, selv ved meget lave temperaturer, hvor udstrålingen er meget lav.

Ved sammenligning af disse data fra Landsat 8 og topografiske kort fandt man ud af, at de koldeste temperaturer i Antarktis forekom i lavninger på 2-4 meters dybde og af 5-10 kilometers horisontal udstrækning på en højslette mellem to istoppe (Dome Argus og Dome Fuji) på det Østantarktiske Plateau.

Det er et godt stykke fra Vostok og cirka 500 meter højere oppe i terrænnet.

Klart og roligt vejr er optimalt for kulde

10. august 2010 registrerede en satellit så lidt som -93,2 °C, hvilket faktisk er omkring 4 grader under den gamle kulderekord fra Vostok.

Problemet er bare, at satellitterne ikke måler selve luftens temperatur, som traditionelt måles i 2 meters højde, men temperaturen af iskappens overflade.

Temperaturmålingen fra Vostok er derimod en konventionel måling af lufttemperaturen i 2 meters højde.

Ved de optimale betingelser for kulde (som der jo skal til for at opnå en kulderekord), altså klart og roligt vejr, vil der være flere graders forskel mellem overfladens temperatur og luftens temperatur i 2 meters højde.

Vi mærker det selv herhjemme, for eksempel ved at der sagtens kan forekomme rim på græsset eller på bilruden, selvom termometeret i 2 meters højde viser 3-4 plusgrader.

Snelag isolerer bedre end græs

Og faktisk isolerer et snelag endnu bedre end græs. Derfor er de satellit-estimerede temperaturer fra Antarktis ikke direkte sammenlignelige med Vostok-målingerne. Sikkert er det dog, at de omtalte lokale lavninger må være klodens koldeste sted.

De amerikanske forskere, der står bag analysen af satellitdata, planlægger i øvrigt også at opsætte automatiske vejrstationer på stedet. Herved kan man måle luftens temperatur i forskellige højder for sammenligning med satellitternes data.

Oftest bruges alkoholtermometre til at måle så lave minimumstemperaturer, da alkohol først fryser ved -115 °C, hvorimod kviksølv fryser ved -38 °C. Men man er nok på udkig efter en fuldautomatisk elektronisk løsning. Problemet er bare, at det er meget vanskeligt at fremstille et fuldautomatisk termometer, der kan fungere under den ekstreme kulde uden menneskeligt besøg i hele vintersæsonen.

Koldeste sted på den nordlige halvkugle?

I vinterhalvåret gennemgår en stor del af Grønland, ligesom Antarktis, en periode med mørke døgnet rundt. Samtidig ligger der en iskappe, der rager over 3 kilometer op over havniveau.

Toppen af den grønlandske indlandsis er derfor en god kandidat til at være det koldeste sted på den nordlige halvkugle.

Udsatte steder i Sibirien, Canada og Alaska bejler dog også til dette kandidatur. Men igen er problemet, at der oftest mangler temperaturmålinger, og at de få målinger, der findes, kan have målevanskeligheder ved de ekstremt lave temperaturer.

Den officielle kulderekord for USA og Canada er på -62,8 °C målt i Snag i Yukon-territoriet den 3. februar 1947. Men faktisk har man uofficielt målt endnu lavere temperaturer.

I perioden 1950-1969 havde folk fra det amerikanske militær sat et termometer op i 4.572 meters højde på Nordamerikas højeste bjerg, Mount McKinley, i Alaska.

Det målte helt ned til -73,3 °C, men da ingen vover at gå på bjergbestigning på Mount McKinley om vinteren, har det ikke været muligt at lave en kvalitetskontrol af målingen.

Stationerne kan ikke forvente at måle det samme

DMI har en automatisk vejrstation placeret nær Summit på toppen af den grønlandske indlandsis i omkring 3.200 meters højde. Kulderekorden for denne station er -63,3 °C målt den 21. februar 2002.

Stationen har dog øjensynlig funktionsproblemer ved ekstremt lave temperaturer, idet den flere gange har sat ud i meget kolde perioder – det gælder for eksempel i weekenderne 22.-23. marts 2014 og 17.- 18. marts 2011, hvor temperaturerne i begge tilfælde nåede under -60 °C.

Under 2 kilometer fra DMI's automatiske vejrstation ligger en amerikansk forskningsstation, US Summit, der er bemandet året rundt.

På stationen foretages også temperaturmålinger, som er sammenlignelige med DMI-målestationens grundet den korte afstand. Men også på toppen af Grønlands Indlandsis kan der forekomme variationer i temperaturen inden for korte afstande pga. lokale effekter som for eksempel en lille lavning i terrænet.

Så stationerne kan ikke forventes at måle helt det samme, men de burde have samme tendens. Den amerikanske målestation måler hvert minut, og stationen har målt siden august 2005.

-70°C kan være realistisk at måle

Ifølge en e-mail korrespondance med Tom Mefford, der har sat målestationen op, er kulderekorden for den amerikanske station på hele -67,2 °C, sat tilbage 18. marts 2011 kl. 06:22 UTC – altså inden for den periode, hvor DMI's målestation var sat ud.

Hvis man med en meget kort datatidsserie på under 10 år kan måle ned omkring -67 °C omkring jævndøgn på toppen af Indlandsisen, hvor koldt kan det så ikke blive på den tid af året, hvor der ikke er sollys på noget tidspunkt af døgnet?

Næppe lige så koldt som i Antarktis, men ned omkring -70 °C tror jeg er realistisk.

Hvor koldt kan det blive på Jorden?

En overflade eller luftmasse afkøles så længe den afgiver mere energi i form af varme, end den modtager, altså så længe strålingsbalancen er negativ.

Optimale betingelser for afkøling er, hvis luften får lov at isolere sig og ligge i mørke døgnet rundt. Hernæst skal det være klart i vejret og vindstille, og luften skal være så tør som muligt.

I Antarktis er luften mere afsondret, end den er i Grønland, og derfor kan det blive koldere her.

I en artikel i tidsskriftet Journal of Geophysical Research har John Turner og kolleger undersøgt de nærmere omstændigheder for den gamle kulderekord ved Vostok.

Det viste sig, at der over en 10 dags periode overhovedet ikke forekom udveksling af luft mellem den Østantarktiske Højslette og det relativt varmere hav, der omgiver Antarktis.

På disse 10 dage faldt temperaturen lineært fra omkring det normale gennemsnit for juli til rekordværdien.

Resultaterne åbner for vanvittige kulderekorder

Man fandt ud af, at der i denne periode var en næsten rekordkold kuldepol i den mellemste del af atmosfæren, centreret lige over Vostok. Samtidig var det klart vejr i en hel uge.

Det kunne være interessant, hvis man havde haft data fra Landsat 8 dengang.

I artiklen skriver forfatterne, at de mener, at man teoretisk set kan komme ned på omkring -96 °C ved Vostok, og at det typisk vil være 5-6 grader koldere ved Dome Argus.

Det åbner muligheden for, at lufttemperaturen i 2 meters højde kan nå ned på lidt under -100 °C på det koldeste sted på kloden, og sikkert 4-5 grader koldere på selve isoverfladen.