Net zoals een oven meer warmte afgeeft aan de omringende keuken naarmate de interne temperatuur stijgt, de aarde stoot meer warmte de ruimte in naarmate het oppervlak opwarmt. Sinds de jaren vijftig, wetenschappers hebben een verrassend eenvoudige, lineaire relatie tussen de temperatuur van het aardoppervlak en de uitgaande warmte.

Maar de aarde is een ongelooflijk rommelig systeem, met veel ingewikkelde, op elkaar inwerkende onderdelen die dit proces kunnen beïnvloeden. Wetenschappers hebben dus moeilijk kunnen verklaren waarom deze relatie tussen oppervlaktetemperatuur en uitgaande warmte zo eenvoudig en lineair is. Het vinden van een verklaring kan klimaatwetenschappers helpen de effecten van klimaatverandering te modelleren.

Nu wetenschappers van MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) hebben het antwoord gevonden, samen met een voorspelling voor wanneer deze lineaire relatie zal afbreken.

Ze merkten op dat de aarde zowel vanaf het oppervlak van de planeet als vanuit de atmosfeer warmte naar de ruimte afgeeft. Als beide opwarmen, laten we zeggen door de toevoeging van kooldioxide, de lucht houdt meer waterdamp vast, die op zijn beurt meer warmte in de atmosfeer vasthoudt. Deze versterking van het broeikaseffect van de aarde staat bekend als waterdampterugkoppeling. Cruciaal, het team ontdekte dat de feedback van waterdamp net voldoende is om de snelheid teniet te doen waarmee de warmere atmosfeer meer warmte afgeeft aan de ruimte.

Hun bevindingen, die vandaag verschijnen in de Proceedings van de National Academy of Sciences , kan ook helpen verklaren hoe extreem, broeikasklimaten in het verre verleden van de aarde ontvouwden zich. De co-auteurs van het artikel zijn EAPS-postdoc Daniel Koll en Tim Cronin, de Kerr-McGee Career Development Assistant Professor in EAPS.

Een raam voor warmte

In hun zoektocht naar een verklaring, het team heeft een stralingscode opgesteld - in wezen, een model van de aarde en hoe deze warmte afgeeft, of infraroodstraling, naar de ruimte. De code simuleert de aarde als een verticale kolom, beginnend vanaf de grond, omhoog door de atmosfeer, en uiteindelijk de ruimte in. Koll kan een oppervlaktetemperatuur in de kolom invoeren, en de code berekent de hoeveelheid straling die door de hele kolom de ruimte in ontsnapt.

Het team kan dan de temperatuurknop omhoog en omlaag draaien om te zien hoe verschillende oppervlaktetemperaturen de uitgaande warmte zouden beïnvloeden. Toen ze hun gegevens plotten, ze zagen een rechte lijn - een lineair verband tussen oppervlaktetemperatuur en uitgaande warmte, in lijn met veel eerdere werken, en meer dan 60 kelvin, of 108 graden Fahrenheit.

"Dus de stralingscode gaf ons wat de aarde eigenlijk doet, " zegt Koll. "Toen begon ik in deze code te graven, wat een brok natuurkunde is die tegen elkaar is geslagen, om te zien welke van deze fysica daadwerkelijk verantwoordelijk is voor deze relatie."

Om dit te doen, het team programmeerde in hun code verschillende effecten in de atmosfeer, zoals convectie, en vochtigheid, of waterdamp, en draaide deze knoppen op en neer om te zien hoe ze op hun beurt de uitgaande infraroodstraling van de aarde zouden beïnvloeden.

"We moesten het hele spectrum van infraroodstraling opsplitsen in ongeveer 350, 000 spectrale intervallen, omdat niet alle infrarood gelijk is, ' zegt Koll.

Hij legt uit dat terwijl waterdamp warmte absorbeert, of infraroodstraling, het absorbeert het niet willekeurig, maar bij golflengten die ongelooflijk specifiek zijn, zo erg dat het team het infraroodspectrum moest splitsen in 350, 000 golflengten om precies te zien welke golflengten door waterdamp werden geabsorbeerd.

Uiteindelijk, de onderzoekers merkten op dat naarmate de temperatuur van het aardoppervlak warmer wordt, het wil in wezen meer warmte in de ruimte afgeven. Maar op het zelfde moment, waterdamp bouwt zich op, en werkt om warmte te absorberen en vast te houden bij bepaalde golflengten, het creëren van een broeikaseffect dat voorkomt dat een fractie van de warmte ontsnapt.

"Het is alsof er een raam is, waardoor een rivier van straling naar de ruimte kan stromen, " zegt Koll. "De rivier stroomt sneller en sneller naarmate je dingen heter maakt, maar het raam wordt kleiner, omdat het broeikaseffect veel van die straling vasthoudt en verhindert dat het ontsnapt."

Koll zegt dat dit broeikaseffect verklaart waarom de warmte die in de ruimte ontsnapt, direct verband houdt met de oppervlaktetemperatuur. omdat de toename van de warmte die door de atmosfeer wordt uitgestraald, wordt tenietgedaan door de verhoogde absorptie uit waterdamp.

Naar Venus kantelen

Het team ontdekte dat deze lineaire relatie verbroken wordt wanneer de wereldwijde gemiddelde oppervlaktetemperaturen van de aarde veel hoger zijn dan 300 K. of 80 F. In een dergelijk scenario, het zou veel moeilijker zijn voor de aarde om warmte af te geven met ongeveer dezelfde snelheid als het oppervlak opwarmt. Voor nu, dat aantal schommelt rond de 285 K, of 53 F.

"Het betekent dat we nu nog steeds goed zijn, maar als de aarde veel heter wordt, dan zouden we een niet-lineaire wereld kunnen krijgen, waar dingen veel ingewikkelder kunnen worden, ' zegt Koll.

Om een ​​idee te geven van hoe zo'n niet-lineaire wereld eruit zou kunnen zien, hij roept Venus op - een planeet die volgens veel wetenschappers begon als een wereld die lijkt op de aarde, hoewel veel dichter bij de zon.

"Ergens in het verleden, we denken dat de atmosfeer veel waterdamp bevatte, en het broeikaseffect zou zo sterk zijn geworden dat dit raamgebied werd afgesloten, en er kon niets meer uitkomen, en dan krijg je op hol geslagen verwarming, ' zegt Koll.

"In dat geval wordt de hele planeet zo heet dat de oceanen beginnen te koken, er gebeuren nare dingen, en je transformeert van een aardachtige wereld naar wat Venus nu is."

voor de aarde, Koll berekent dat zo'n op hol geslagen effect pas zou optreden als de wereldwijde gemiddelde temperatuur ongeveer 340 K bereikt, of 152 F. Opwarming van de aarde alleen is onvoldoende om een ​​dergelijke opwarming te veroorzaken, maar andere klimaatveranderingen, zoals de opwarming van de aarde gedurende miljarden jaren als gevolg van de natuurlijke evolutie van de zon, zou de aarde naar deze limiet kunnen duwen, "op welk punt, we zouden in Venus veranderen."

Koll zegt dat de resultaten van het team kunnen helpen om de voorspellingen van klimaatmodellen te verbeteren. Ze kunnen ook nuttig zijn om te begrijpen hoe oude hete klimaten op aarde zich ontvouwden.

"Als je 60 miljoen jaar geleden op aarde zou leven, het was veel heter, gekke wereld, zonder ijs bij de poolkappen, en palmbomen en krokodillen in wat nu Wyoming is, " zegt Koll. "Een van de dingen die we laten zien is, als je eenmaal naar zulke hete klimaten gaat, waarvan we weten dat het in het verleden is gebeurd, dingen worden veel ingewikkelder."