Hvordan Jorden kaster varme ud i rummet

Ligesom en ovn afgiver mere varme til det omgivende køkken, når dens indre temperatur stiger, Jorden afgiver mere varme ud i rummet, efterhånden som dens overflade varmes op. Siden 1950'erne, videnskabsmænd har observeret en overraskende ligetil, lineær sammenhæng mellem jordens overfladetemperatur og dens udgående varme.

Men Jorden er et utrolig rodet system, med mange komplicerede, interagerende dele, der kan påvirke denne proces. Forskere har således fundet det svært at forklare, hvorfor denne sammenhæng mellem overfladetemperatur og udgående varme er så enkel og lineær. At finde en forklaring kan hjælpe klimaforskere med at modellere virkningerne af klimaændringer.

Nu er forskere fra MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS) har fundet svaret, sammen med en forudsigelse for, hvornår denne lineære sammenhæng vil bryde sammen.

De observerede, at Jorden udsender varme til rummet fra planetens overflade såvel som fra atmosfæren. Da begge varmes op, sige ved tilsætning af kuldioxid, luften rummer mere vanddamp, som igen virker til at fange mere varme i atmosfæren. Denne styrkelse af Jordens drivhuseffekt er kendt som vanddampfeedback. Afgørende, holdet fandt ud af, at vanddampfeedbacken netop er tilstrækkelig til at udligne den hastighed, hvormed den varmere atmosfære udsender mere varme til rummet.

Deres resultater, som optræder i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , kan også hjælpe med at forklare, hvor ekstrem, drivhusklimaer i Jordens gamle fortid udfoldede sig. Avisens medforfattere er EAPS postdoc Daniel Koll og Tim Cronin, Kerr-McGee Career Development Assistant Professor i EAPS.

Et vindue til varme

I deres søgen efter en forklaring, holdet byggede en strålingskode – i det væsentlige, en model af Jorden og hvordan den udsender varme, eller infrarød stråling, ud i rummet. Koden simulerer Jorden som en lodret søjle, begyndende fra jorden, op gennem atmosfæren, og til sidst ud i rummet. Koll kan indtaste en overfladetemperatur i kolonnen, og koden beregner mængden af ​​stråling, der slipper ud gennem hele søjlen og ud i rummet.

Holdet kan derefter dreje temperaturknappen op og ned for at se, hvordan forskellige overfladetemperaturer vil påvirke den udgående varme. Da de plottede deres data, de observerede en ret linje - et lineært forhold mellem overfladetemperatur og udgående varme, på linje med mange tidligere værker, og over et interval på 60 kelvin, eller 108 grader Fahrenheit.

"Så strålingskoden gav os, hvad Jorden faktisk gør, " siger Koll. "Så begyndte jeg at grave i denne kode, som er en klump fysik smadret sammen, for at se, hvilken af ​​disse fysik der faktisk er ansvarlig for dette forhold."

At gøre dette, holdet programmerede forskellige effekter i atmosfæren i deres kode, såsom konvektion, og fugtighed, eller vanddamp, og drejede disse knapper op og ned for at se, hvordan de igen ville påvirke Jordens udgående infrarøde stråling.

"Vi var nødt til at opdele hele spektret af infrarød stråling i omkring 350, 000 spektrale intervaller, fordi ikke alt infrarødt er lige, " siger Koll.

Han forklarer, at mens vanddamp absorberer varme, eller infrarød stråling, det absorberer det ikke vilkårligt, men ved bølgelængder, der er utroligt specifikke, så meget, at holdet måtte opdele det infrarøde spektrum i 350, 000 bølgelængder bare for at se præcis hvilke bølgelængder der blev absorberet af vanddamp.

Til sidst, forskerne observerede, at når jordens overfladetemperatur bliver varmere, den ønsker i bund og grund at kaste mere varme ud i rummet. Men samtidig, vanddamp opbygges, og virker til at absorbere og fange varme ved bestemte bølgelængder, skabe en drivhuseffekt, der forhindrer en brøkdel af varme i at slippe ud.

"Det er som om der er et vindue, gennem hvilken en flod af stråling kan strømme til rummet, " siger Koll. "Elven flyder hurtigere og hurtigere, når du gør tingene varmere, men vinduet bliver mindre, fordi drivhuseffekten fanger meget af den stråling og forhindrer den i at undslippe."

Koll siger, at denne drivhuseffekt forklarer, hvorfor den varme, der slipper ud i rummet, er direkte relateret til overfladetemperaturen, da stigningen i varme, der udsendes af atmosfæren, udlignes af den øgede absorption fra vanddamp.

Vipper mod Venus

Holdet fandt, at dette lineære forhold bryder sammen, når Jordens globale gennemsnitlige overfladetemperaturer går meget over 300 K, eller 80 F. I et sådant scenarie, det ville være meget sværere for Jorden at afgive varme med nogenlunde samme hastighed, som dens overflade opvarmes. For nu, det tal svæver omkring 285 K, eller 53 F.

"Det betyder, at vi stadig har det godt nu, men hvis Jorden bliver meget varmere, så kunne vi være i en ikke-lineær verden, hvor ting kunne blive meget mere komplicerede, " siger Koll.

For at give en idé om, hvordan sådan en ikke-lineær verden kan se ud, han påberåber sig Venus - en planet, som mange forskere mener startede som en verden, der ligner Jorden, dog meget tættere på solen.

"Engang i fortiden, vi tror dens atmosfære havde en masse vanddamp, og drivhuseffekten ville være blevet så stærk, at dette vinduesområde lukkede af, og intet kunne komme ud længere, og så får du løbsk opvarmning, " siger Koll.

"I så fald bliver hele planeten så varm, at oceanerne begynder at koge af, grimme ting begynder at ske, og du forvandler dig fra en jordlignende verden til, hvad Venus er i dag."

For Jorden, Koll beregner, at en sådan løbsk effekt ikke ville slå ind, før de globale gennemsnitstemperaturer når omkring 340 K, eller 152 F. Global opvarmning alene er utilstrækkelig til at forårsage en sådan opvarmning, men andre klimaændringer, såsom Jordens opvarmning over milliarder af år på grund af solens naturlige udvikling, kunne skubbe Jorden mod denne grænse, "på hvilket tidspunkt, vi ville blive til Venus."

Koll siger, at holdets resultater kan hjælpe med at forbedre forudsigelser af klimamodeller. De kan også være nyttige til at forstå, hvordan gamle varme klimaer på Jorden udfoldede sig.

"Hvis du levede på Jorden for 60 millioner år siden, det var meget varmere, skør verden, uden is ved polkapperne, og palmer og krokodiller i det nuværende Wyoming, " siger Koll. "En af de ting, vi viser, er, når du først skubber til virkelig varme klimaer som det, som vi ved skete i fortiden, tingene bliver meget mere komplicerede."