Assim como um forno emite mais calor para a cozinha ao redor conforme sua temperatura interna aumenta, a Terra derrama mais calor no espaço à medida que sua superfície se aquece. Desde a década de 1950, cientistas observaram uma abordagem surpreendentemente simples, relação linear entre a temperatura da superfície da Terra e seu calor de saída.

Mas a Terra é um sistema incrivelmente confuso, com muitos complicados, partes interativas que podem afetar este processo. Os cientistas, portanto, acharam difícil explicar por que essa relação entre a temperatura da superfície e o calor que sai é tão simples e linear. Encontrar uma explicação pode ajudar os cientistas do clima a modelar os efeitos das mudanças climáticas.

Agora, cientistas do Departamento da Terra do MIT, As Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS) encontraram a resposta, junto com uma previsão de quando essa relação linear será interrompida.

Eles observaram que a Terra emite calor para o espaço, tanto da superfície do planeta quanto da atmosfera. À medida que ambos esquentam, digamos, pela adição de dióxido de carbono, o ar retém mais vapor de água, que por sua vez atua para reter mais calor na atmosfera. Esse fortalecimento do efeito estufa da Terra é conhecido como feedback do vapor de água. Crucialmente, a equipe descobriu que o feedback do vapor de água é suficiente para cancelar a taxa na qual a atmosfera mais quente emite mais calor para o espaço.

Suas descobertas, que aparecem hoje no Proceedings of the National Academy of Sciences , também pode ajudar a explicar o quão extremo, climas de estufa no passado antigo da Terra se revelaram. Os co-autores do artigo são o pós-doutorado em EAPS Daniel Koll e Tim Cronin, o Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira Kerr-McGee na EAPS.

Uma janela para o calor

Em sua busca por uma explicação, a equipe construiu um código de radiação - essencialmente, um modelo da Terra e como ele emite calor, ou radiação infravermelha, no espaço. O código simula a Terra como uma coluna vertical, começando do chão, pela atmosfera, e finalmente no espaço. Koll pode inserir uma temperatura de superfície na coluna, e o código calcula a quantidade de radiação que escapa por toda a coluna e para o espaço.

A equipe pode então girar o botão de temperatura para cima e para baixo para ver como as diferentes temperaturas da superfície afetariam o calor de saída. Quando eles traçaram seus dados, eles observaram uma linha reta - uma relação linear entre a temperatura da superfície e o calor de saída, em linha com muitos trabalhos anteriores, e mais de 60 Kelvin, ou 108 graus Fahrenheit.

"Então, o código de radiação nos deu o que a Terra realmente faz, "Koll diz." Então eu comecei a cavar neste código, que é um amontoado de física esmagado, para ver qual dessas físicas é realmente responsável por essa relação. "

Para fazer isso, a equipe programou em seu código vários efeitos na atmosfera, como convecção, e umidade, ou vapor de água, e girou esses botões para cima e para baixo para ver como eles, por sua vez, afetariam a radiação infravermelha de saída da Terra.

"Precisávamos quebrar todo o espectro de radiação infravermelha em cerca de 350, 000 intervalos espectrais, porque nem todo infravermelho é igual, "Koll diz.

Ele explica isso, enquanto o vapor de água absorve calor, ou radiação infravermelha, não o absorve indiscriminadamente, mas em comprimentos de onda que são incrivelmente específicos, tanto que a equipe teve que dividir o espectro infravermelho em 350, 000 comprimentos de onda apenas para ver exatamente quais comprimentos de onda foram absorvidos pelo vapor de água.

No fim, os pesquisadores observaram que, à medida que a temperatura da superfície da Terra fica mais quente, ele essencialmente quer derramar mais calor para o espaço. Mas ao mesmo tempo, o vapor de água se acumula, e atua para absorver e prender o calor em certos comprimentos de onda, criando um efeito de estufa que evita que uma fração do calor escape.

"É como se houvesse uma janela, através do qual um rio de radiação pode fluir para o espaço, "Koll diz." O rio flui cada vez mais rápido conforme você deixa as coisas mais quentes, mas a janela fica menor, porque o efeito estufa está prendendo grande parte dessa radiação e evitando que ela escape. "

Koll diz que este efeito de estufa explica porque o calor que escapa para o espaço está diretamente relacionado com a temperatura da superfície, à medida que o aumento do calor emitido pela atmosfera é anulado pelo aumento da absorção do vapor d'água.

Virando em direção a Vênus

A equipe descobriu que essa relação linear se quebra quando as temperaturas médias globais da superfície da Terra vão muito além de 300 K, ou 80 F. Em tal cenário, seria muito mais difícil para a Terra dissipar calor mais ou menos na mesma taxa de aquecimento de sua superfície. Por enquanto, esse número está oscilando em torno de 285 K, ou 53 F.

"Isso significa que ainda estamos bem agora, mas se a Terra ficar muito mais quente, então poderíamos entrar em um mundo não linear, onde as coisas podem ficar muito mais complicadas, "Koll diz.

Para dar uma ideia de como pode ser esse mundo não linear, ele invoca Vênus, um planeta que muitos cientistas acreditam que começou como um mundo semelhante à Terra, embora muito mais perto do sol.

"Algum tempo no passado, achamos que sua atmosfera tinha muito vapor de água, e o efeito estufa teria se tornado tão forte que essa região da janela se fechou, e nada poderia sair mais, e então você obtém aquecimento descontrolado, "Koll diz.

"Nesse caso, todo o planeta fica tão quente que os oceanos começam a ferver, coisas desagradáveis ​​começam a acontecer, e você se transforma de um mundo parecido com a Terra para o que Vênus é hoje. "

Para a Terra, Koll calcula que esse efeito descontrolado não ocorreria até que as temperaturas médias globais atingissem cerca de 340 K, ou 152 F. O aquecimento global por si só é insuficiente para causar tal aquecimento, mas outras mudanças climáticas, como o aquecimento da Terra ao longo de bilhões de anos devido à evolução natural do Sol, poderia empurrar a Terra em direção a este limite, "em que ponto, nós nos transformaríamos em Vênus. "

Koll diz que os resultados da equipe podem ajudar a melhorar as previsões do modelo climático. Eles também podem ser úteis na compreensão de como os antigos climas quentes na Terra se desenvolveram.

"Se você estivesse vivendo na Terra há 60 milhões de anos, estava muito mais quente, mundo maluco, sem gelo nas calotas polares, e palmeiras e crocodilos no que é agora Wyoming, "Koll diz." Uma das coisas que mostramos é, uma vez que você empurra para climas realmente quentes como esse, que sabemos que aconteceu no passado, as coisas ficam muito mais complicadas. "