Uma equipe internacional, incluindo astrofísicos da Universidade de Exeter, está aprendendo lições e técnicas aprendidas com a ciência do clima da Terra para pavimentar o caminho para modelar atmosferas de planetas que orbitam estrelas distantes, auxiliando na busca de exoplanetas potencialmente habitáveis.
Crucialmente, a equipe acredita que esta pesquisa também pode melhorar nossa compreensão fundamental e previsões do clima futuro na Terra.

O recém-lançado Telescópio Espacial James Webb (JWST) e telescópios futuros, como o European Extremely Large Telescope (E-ELT), o Thirty Meter Telescope (TMT) ou o Giant Magellan Telescope (GMT), poderão em breve caracterizar as atmosferas de exoplanetas rochosos orbitando anãs vermelhas próximas (estrelas mais frias e menores que o nosso próprio sol). No entanto, sem modelos robustos para interpretar e orientar essas observações, não seremos capazes de desbloquear todo o potencial desses observatórios.

Um método é usar Modelos de Circulação Geral (GCMs) tridimensionais – semelhantes aos usados ​​para prever o clima da Terra, para simular características atmosféricas à medida que os planetas orbitam suas estrelas hospedeiras. No entanto, existem diferenças intrínsecas dentro desses GCMs complexos que levam a previsões climáticas contrastantes – e, consequentemente, nossa interpretação das observações do exoplaneta.

Nos últimos anos, os cientistas refinaram os GCMs na tentativa de reproduzir e entender a atual tendência de aquecimento associada às mudanças climáticas antropogênicas na Terra. Uma abordagem chave é modelar o clima com vários GCMs e compará-los por meio de Projetos de Intercomparação de Modelos, ou MIPs, que têm sido fundamentais para nosso conhecimento do clima da Terra.

A equipe, liderada por três pesquisadores em início de carreira – Thomas Fauchez (NASA GSFC, American University, EUA), Denis Sergeev (Universidade de Exeter, Reino Unido) e Martin Turbet (LMD, França) – usou essa experiência e recentes atualizações de modelos para realizar uma intercomparação abrangente de vários dos principais GCMs do mundo aplicando-os ao estudo de exoplanetas.

Dr. Sergeev, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Exeter, disse:"As intercomparações multimodelo são um dos pilares da ciência climática moderna e uma história de sucesso de colaboração internacional. Elas são fundamentais para nossa compreensão dos processos climáticos passados, presentes e futuros Ao trazer essas comparações para a pesquisa de exoplanetas, podemos melhorar nossa capacidade de interpretar observações de telescópios."

O novo projeto crucial, chamado THAI (TRAPPIST-1 Habitable Atmosphere Intercomparison) se concentra em um exoplaneta confirmado do tamanho da Terra rotulado TRAPPIST-1e. É o quarto planeta de sua estrela hospedeira, uma anã vermelha TRAPPIST-1 localizada a aproximadamente 40 anos-luz da Terra. Crucialmente, como a órbita do planeta está dentro da zona habitável de TRAPPIST-1, ele pode ter um clima temperado adequado para a existência de água líquida em sua superfície.

Os projetos combinam quatro modelos amplamente utilizados—ExoCAM (baseado no modelo do Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica dos EUA), LMD-G (desenvolvido pelo Laboratoire de Meterologie Dynamique em Paris), ROCKE-3D (baseado no modelo NASA GISS ) e o UM (desenvolvido no Met Office do Reino Unido e adaptado para exoplanetas por pesquisadores da Universidade de Exeter) – para considerar quatro cenários diferentes para a atmosfera de TRAPPIST-1e.

Estes incluíam dois cenários para a superfície (completamente seca e um coberto por um oceano global fornecendo umidade para a atmosfera) e dois cenários para a composição atmosférica (atmosfera rica em nitrogênio com níveis modernos de CO₂ , ou um CO semelhante a Marte₂ -atmosfera dominada).

Uma das maiores fontes de diferenças inter-GCM são as nuvens:suas propriedades ópticas, altitude, espessura, cobertura mostraram-se significativamente diferentes entre os modelos devido a diferenças nas parametrizações das nuvens. "Representar a física úmida de pequena escala em GCMs é notoriamente difícil. É uma das principais avenidas de pesquisa atmosférica tanto para o exoplaneta quanto para a ciência do clima da Terra", disse Sergeev.

Dr. Fauchez, que lidera o projeto THAI, disse:"THAI alavancou conhecimentos valiosos de esforços semelhantes na comunidade de ciências da Terra que estudam o aquecimento global antropogênico. No entanto, também foi capaz de transferir conhecimento de volta, por meio de melhorias no modelo subjacente frameworks desenvolvidos como parte das aplicações do exoplaneta."

Os resultados dessas análises, que incluem mostrar, pela primeira vez, como o uso de um GCM pode impactar a futura interpretação dos dados e o planejamento futuro de campanhas observacionais, são apresentados em três artigos totalmente de acesso aberto. Os resultados completos foram publicados em 15 de setembro de 2022 em uma edição especial do The Planetary Science Journal (PSJ).

No entanto, a equipe acredita que o THAI não apenas abrirá o caminho para uma modelagem robusta de mundos distantes potencialmente habitáveis, mas também conectou nossos esforços para encontrar vida além da Terra com estudos de nosso próprio clima em mudança.

Dr. Sergeev acrescentou:"Nosso trabalho no TRAPPIST-1e, com uma configuração orbital muito diferente da Terra, revelou várias melhorias, por exemplo, no tratamento do aquecimento estelar da atmosfera, agora implementado na UM e aplicado à Terra".

O THAI abre caminho para um projeto maior de intercomparação de modelos, o Climates Using Interactive Suites of Intercomparisons Nested for Exoplanet Studies (CUISINES), que incluiria uma diversidade mais ampla de alvos e modelos de exoplanetas para compará-los sistematicamente e, portanto, validá-los. + Explorar mais

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