Los Científicos Observan La Relación Entre La Temperatura De La Superficie De La Tierra Y Su Calor Saliente

Cómo la Tierra arroja calor al espacio

Desde la década de 1950, los científicos han observado una relación lineal sorprendentemente sencilla entre la temperatura de la superficie de la Tierra y su calor saliente.

Así como un horno emite más calor a la cocina circundante a medida que aumenta su temperatura interna, la Tierra arroja más calor al espacio a medida que su superficie se calienta. Desde la década de 1950, los científicos han observado una relación lineal sorprendentemente sencilla entre la temperatura de la superficie de la Tierra y su calor saliente.

Pero la Tierra es un sistema increíblemente desordenado, con muchas partes complicadas e interactuantes que pueden afectar este proceso. Por tanto, a los científicos les ha resultado difícil explicar por qué esta relación entre la temperatura de la superficie y el calor saliente es tan simple y lineal. Encontrar una explicación podría ayudar a los científicos del clima a modelar los efectos del cambio climático.

Ahora los científicos de MIT El Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) ha encontrado la respuesta, junto con una predicción de cuándo se romperá esta relación lineal.

Observaron que la Tierra emite calor al espacio desde la superficie del planeta y desde la atmósfera. A medida que ambos se calientan, digamos mediante la adición de dióxido de carbono, el aire retiene más vapor de agua, que a su vez actúa para atrapar más calor en la atmósfera. Este fortalecimiento del efecto invernadero de la Tierra se conoce como retroalimentación del vapor de agua. Fundamentalmente, el equipo descubrió que la retroalimentación del vapor de agua es suficiente para cancelar la velocidad a la que la atmósfera más cálida emite más calor al espacio.

Por lo tanto, el cambio general en el calor emitido por la Tierra solo depende de la superficie. A su vez, la emisión de calor desde la superficie de la Tierra al espacio es una función simple de la temperatura, lo que conduce a la relación lineal observada.

Sus hallazgos, que aparecen hoy en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, también pueden ayudar a explicar cómo se desarrollaron los climas extremos e invernaderos en el pasado antiguo de la Tierra. Los coautores del artículo son el postdoctorado de EAPS Daniel Koll y Tim Cronin, profesor asistente de desarrollo profesional de Kerr-McGee en EAPS.

Una ventana para el calor

En su búsqueda de una explicación, el equipo construyó un código de radiación, esencialmente, un modelo de la Tierra y cómo emite calor, o radiación infrarroja, al espacio. El código simula la Tierra como una columna vertical, comenzando desde el suelo, pasando por la atmósfera y finalmente hacia el espacio. Koll puede ingresar una temperatura de la superficie en la columna y el código calcula la cantidad de radiación que escapa a través de toda la columna y al espacio.

Luego, el equipo puede girar la perilla de temperatura hacia arriba y hacia abajo para ver cómo las diferentes temperaturas de la superficie afectarían el calor saliente. Cuando trazaron sus datos, observaron una línea recta: una relación lineal entre la temperatura de la superficie y el calor saliente, en línea con muchos trabajos anteriores, y en un rango de 60 kelvin o 108 grados. Fahrenheit .

“Entonces, el código de radiación nos dio lo que realmente hace la Tierra”, dice Koll. “Luego comencé a investigar este código, que es un trozo de física aplastada, para ver cuál de estas físicas es realmente responsable de esta relación”.

Para hacer esto, el equipo programó en su código varios efectos en la atmósfera, como la convección y la humedad o el vapor de agua, y giró estas perillas hacia arriba y hacia abajo para ver cómo afectarían a su vez la radiación infrarroja saliente de la Tierra.

“Necesitábamos dividir todo el espectro de radiación infrarroja en unos 350.000 intervalos espectrales, porque no todos los infrarrojos son iguales”, dice Koll.

Explica que, si bien el vapor de agua absorbe calor, o radiación infrarroja, no la absorbe de forma indiscriminada, sino a longitudes de onda que son increíblemente específicas, tanto que el equipo tuvo que dividir el espectro infrarrojo en 350.000 longitudes de onda solo para ver exactamente. qué longitudes de onda fueron absorbidas por el vapor de agua.

Al final, los investigadores observaron que a medida que la temperatura de la superficie de la Tierra aumenta, esencialmente quiere arrojar más calor al espacio. Pero al mismo tiempo, el vapor de agua se acumula y actúa para absorber y atrapar el calor en ciertas longitudes de onda, creando un efecto invernadero que evita que se escape una fracción del calor.

“Es como si hubiera una ventana a través de la cual un río de radiación puede fluir hacia el espacio”, dice Koll. “El río fluye cada vez más rápido a medida que se calientan las cosas, pero la ventana se hace más pequeña, porque el efecto invernadero atrapa mucha de esa radiación y evita que se escape”.

Koll dice que este efecto invernadero explica por qué el calor que se escapa al espacio está directamente relacionado con la temperatura de la superficie, ya que el aumento de calor emitido por la atmósfera se anula por la mayor absorción del vapor de agua.

Inclinando hacia Venus

El equipo descubrió que esta relación lineal se rompe cuando las temperaturas de la superficie promedio global de la Tierra superan los 300 K u 80 F.En tal escenario, sería mucho más difícil para la Tierra arrojar calor aproximadamente al mismo ritmo que su superficie se calienta. . Por ahora, ese número ronda los 285 K, o 53 F.

“Significa que todavía estamos bien ahora, pero si la Tierra se vuelve mucho más caliente, entonces podríamos encontrarnos en un mundo no lineal, donde las cosas podrían volverse mucho más complicadas”, dice Koll.

Para dar una idea de cómo podría ser un mundo tan no lineal, invoca a Venus, un planeta que muchos científicos creen que comenzó como un mundo similar a la Tierra, aunque mucho más cercano al sol.

“En algún momento del pasado, creemos que su atmósfera tenía mucho vapor de agua, y el efecto invernadero se habría vuelto tan fuerte que esta región de la ventana se cerró, y ya no podía salir nada, y luego se produce un calentamiento descontrolado”. Dice Koll.
“En cuyo caso, todo el planeta se calienta tanto que los océanos comienzan a hervir, comienzan a suceder cosas desagradables y te transformas de un mundo similar a la Tierra en lo que es Venus hoy”.

Para la Tierra, Koll calcula que tal efecto desbocado no se produciría hasta que las temperaturas medias globales alcancen unos 340 K, o 152 F. años debido a la evolución natural del sol, podría empujar a la Tierra hacia este límite, “en cuyo punto, nos convertiríamos en Venus”.

Koll dice que los resultados del equipo pueden ayudar a mejorar las predicciones del modelo climático. También pueden ser útiles para comprender cómo se desarrollaron los antiguos climas cálidos de la Tierra.

“Si vivías en la Tierra hace 60 millones de años, era un mundo mucho más caliente y loco, sin hielo en los casquetes polares y palmeras y cocodrilos en lo que ahora es Wyoming”, dice Koll. “Una de las cosas que mostramos es que, una vez que se avanza hacia climas realmente cálidos como ese, que sabemos que sucedió en el pasado, las cosas se complican mucho”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation y la James S. McDonnell Foundation.

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