Precis som en ugn avger mer värme till det omgivande köket när dess inre temperatur stiger, jorden släpper ut mer värme till rymden när ytan värms upp. Sedan 1950 -talet har forskare har observerat en överraskande enkel, linjärt samband mellan jordens yttemperatur och dess utgående värme.

Men Jorden är ett otroligt rörigt system, med många komplicerade, interagerande delar som kan påverka denna process. Forskare har därför haft svårt att förklara varför detta förhållande mellan yttemperatur och utgående värme är så enkelt och linjärt. Att hitta en förklaring kan hjälpa klimatforskare att modellera effekterna av klimatförändringar.

Nu forskare från MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap (EAPS) har hittat svaret, tillsammans med en förutsägelse för när detta linjära förhållande kommer att brytas ner.

De observerade att jorden avger värme till rymden från planetens yta såväl som från atmosfären. När båda värms upp, säg genom tillsats av koldioxid, luften håller mer vattenånga, som i sin tur verkar för att fånga mer värme i atmosfären. Denna förstärkning av jordens växthuseffekt kallas återkoppling från vattenånga. Avgörande, teamet fann att återkopplingen från vattenånga är tillräckligt för att avbryta den hastighet med vilken den varmare atmosfären avger mer värme till rymden.

Deras fynd, som visas idag i Förfaranden från National Academy of Sciences , kan också hjälpa till att förklara hur extrem, varmhusklimat i jordens gamla förflutna utspelade sig. Tidningens medförfattare är EAPS postdoc Daniel Koll och Tim Cronin, Kerr-McGee Career Development Assistant Professor i EAPS.

Ett fönster för värme

I deras sökande efter en förklaring, laget byggde en strålningskod - i huvudsak, en modell av jorden och hur den avger värme, eller infraröd strålning, in i rymden. Koden simulerar jorden som en vertikal kolumn, från marken, upp genom atmosfären, och slutligen ut i rymden. Koll kan mata in en yttemperatur i kolonnen, och koden beräknar mängden strålning som släpps ut genom hela kolonnen och ut i rymden.

Teamet kan sedan vrida temperaturreglaget upp och ner för att se hur olika yttemperaturer skulle påverka den utgående värmen. När de ritade upp sina uppgifter, de observerade en rak linje - ett linjärt samband mellan yttemperatur och utgående värme, i linje med många tidigare verk, och över en rad på 60 kelvin, eller 108 grader Fahrenheit.

"Så strålningskoden gav oss vad jorden faktiskt gör, "Koll säger." Sedan började jag gräva i den här koden, som är en klump fysik som krossades ihop, för att se vilken av dessa fysiker som faktiskt är ansvarig för detta förhållande. "

Att göra detta, laget programmerade in sina koder olika effekter i atmosfären, såsom konvektion, och fuktighet, eller vattenånga, och vände dessa knoppar upp och ner för att se hur de i sin tur skulle påverka jordens utgående infraröda strålning.

"Vi behövde dela upp hela spektrumet av infraröd strålning till cirka 350, 000 spektralintervaller, eftersom inte alla infraröda är lika, "Säger Koll.

Han förklarar att medan vattenånga absorberar värme, eller infraröd strålning, det absorberar det inte urskillningslöst, men vid våglängder som är otroligt specifika, så mycket att laget var tvunget att dela det infraröda spektrumet i 350, 000 våglängder bara för att se exakt vilka våglängder som absorberades av vattenånga.

I slutet, forskarna observerade att när jordens yttemperatur blir varmare, den vill i huvudsak kasta mer värme ut i rymden. Men samtidigt, vattenånga byggs upp, och verkar för att absorbera och fånga värme vid vissa våglängder, skapa en växthuseffekt som förhindrar att en bråkdel av värme släpper ut.

"Det är som om det finns ett fönster, genom vilken en flod av strålning kan strömma till rymden, "Koll säger." Floden rinner snabbare och snabbare när du gör saker hetare, men fönstret blir mindre, eftersom växthuseffekten fångar mycket av den strålningen och hindrar den från att fly. "

Koll säger att denna växthuseffekt förklarar varför värmen som flyr ut i rymden är direkt relaterad till yttemperaturen, eftersom ökningen av värme som släpps ut från atmosfären avbryts av den ökade absorptionen från vattenånga.

Tippar mot Venus

Teamet fann att detta linjära förhållande bryts ner när jordens globala genomsnittliga yttemperaturer går mycket längre än 300 K, eller 80 F. I ett sådant scenario, det skulle vara mycket svårare för jorden att kasta värme i ungefär samma takt som dess yta värms. Tills vidare, det numret svävar runt 285 K, eller 53 F.

"Det betyder att vi fortfarande är bra nu, men om jorden blir mycket varmare, då kan vi vänta oss en olinjär värld, där saker kan bli mycket mer komplicerade, "Säger Koll.

För att ge en uppfattning om hur en sådan olinjär värld kan se ut, han åberopar Venus - en planet som många forskare tror började som en värld som liknar jorden, fast mycket närmare solen.

"En tid i det förflutna, vi tror att dess atmosfär hade mycket vattenånga, och växthuseffekten skulle ha blivit så stark att denna fönsterregion stängdes av, och ingenting kunde komma ut längre, och då får du värme som springer iväg, "Säger Koll.

"I så fall blir hela planeten så varm att haven börjar koka upp, otäcka saker börjar hända, och du förvandlas från en jordliknande värld till vad Venus är idag. "

För jorden, Koll beräknar att en sådan tillflyktseffekt inte skulle komma igång förrän den globala medeltemperaturen når cirka 340 K, eller 152 F. Global uppvärmning ensam är otillräcklig för att orsaka sådan uppvärmning, men andra klimatförändringar, som jordens uppvärmning under miljarder år på grund av solens naturliga utveckling, kunde skjuta jorden mot denna gräns, "när, vi skulle förvandlas till Venus. "

Koll säger att teamets resultat kan bidra till att förbättra förutsägelser av klimatmodeller. De kan också vara användbara för att förstå hur gamla heta klimat på jorden utvecklades.

"Om du levde på jorden för 60 miljoner år sedan, det var mycket varmare, galna världen, utan is vid stånglocken, och palmer och krokodiler i det som nu är Wyoming, "Koll säger." En av de saker vi visar är, när du trycker till riktigt varma klimat så, som vi vet har hänt tidigare saker blir mycket mer komplicerade. "