Como a Terra derrama calor no espaço
Novos insights sobre o papel do vapor d'água podem ajudar os pesquisadores a prever como o planeta responderá ao aquecimento.
Assim como um forno emite mais calor para a cozinha circundante à medida que sua temperatura interna aumenta, a Terra derrama mais calor no espaço à medida que sua superfície se aquece. Desde a década de 1950, os cientistas observaram uma relação linear surpreendentemente direta entre a temperatura da superfície da Terra e seu calor de saída.
Mas a Terra é um sistema incrivelmente confuso, com muitas partes complicadas e interativas que podem afetar esse 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 de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT (EAPS) encontraram a resposta, junto com uma previsão de quando essa relação linear será quebrada.
Eles observaram que a Terra emite calor para o espaço, tanto da superfície do planeta quanto da atmosfera. À medida que ambos aquecem, 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 apenas suficiente para cancelar a taxa na qual a atmosfera mais quente emite mais calor para o espaço.
A mudança geral no calor emitido pela Terra, portanto, depende apenas da superfície. Por sua vez, a emissão de calor da superfície da Terra para o espaço é uma função simples da temperatura, levando à relação linear observada.
Suas descobertas, que aparecem hoje no Anais da Academia Nacional de Ciências , também pode ajudar a explicar como os climas de estufa extremos no passado antigo da Terra se desenvolveram. 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 ela emite calor, ou radiação infravermelha, para o espaço. O código simula a Terra como uma coluna vertical, começando do solo, passando 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 em uma faixa de 60 kelvins, ou 108 graus Fahrenheit.
“Portanto, o código de radiação nos deu o que a Terra realmente faz”, diz Koll. “Então 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 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 todos os infravermelhos são iguais ', diz Koll.
Ele explica que, embora o vapor d'água absorva calor, ou radiação infravermelha, ele 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 final, os pesquisadores observaram que, à medida que a temperatura da superfície da Terra fica mais quente, ela basicamente quer liberar mais calor para o espaço. Mas, ao mesmo tempo, o vapor d'água se acumula e age para absorver e prender o calor em certos comprimentos de onda, criando um efeito estufa que impede que uma fração do calor escape.
' É como se houvesse uma janela, através da qual um rio de radiação pode fluir para o espaço ', diz Koll. “O rio flui cada vez mais rápido à medida que você esquenta mais, mas a janela fica menor, porque o efeito estufa está prendendo grande parte dessa radiação e evitando que ela escape. '
Koll diz que esse efeito estufa explica por que o calor que escapa para o espaço está diretamente relacionado à temperatura da superfície, já que o aumento do calor emitido pela atmosfera é cancelado 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 liberar calor aproximadamente 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, poderemos entrar em um mundo não linear, onde as coisas podem ficar muito mais complicadas ', diz Koll.
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 próximo do sol.
“Em algum momento no passado, achamos que sua atmosfera tinha muito vapor d'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 um 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 sozinho é insuficiente para causar tal aquecimento, mas outras mudanças climáticas, como o aquecimento da Terra em bilhões de anos devido à evolução natural do Sol, poderia empurrar a Terra em direção a este limite, “ponto em que 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 vivesse na Terra há 60 milhões de anos, era um mundo muito mais quente e excêntrico, sem gelo nas calotas polares e palmeiras e crocodilos no que é hoje Wyoming ', diz Koll. “Uma das coisas que mostramos é que, quando você chega a climas realmente quentes como esse, o que sabemos que aconteceu no passado, as coisas ficam muito mais complicadas. '
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela National Science Foundation e pela James S. McDonnell Foundation.
Reproduzido com permissão de MIT News
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