Proprio come un forno emette più calore alla cucina circostante quando la sua temperatura interna aumenta, la Terra diffonde più calore nello spazio man mano che la sua superficie si riscalda. Dagli anni Cinquanta, gli scienziati hanno osservato un sorprendentemente semplice, relazione lineare tra la temperatura della superficie terrestre e il suo calore in uscita.

Ma la Terra è un sistema incredibilmente disordinato, con molti complicati, parti interagenti che possono influenzare questo processo. Gli scienziati hanno quindi trovato difficile spiegare perché questa relazione tra la temperatura superficiale e il calore in uscita sia così semplice e lineare. Trovare una spiegazione potrebbe aiutare gli scienziati del clima a modellare gli effetti del cambiamento climatico.

Ora gli scienziati del Dipartimento della Terra del MIT, Le scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) hanno trovato la risposta, insieme a una previsione per quando questa relazione lineare si romperà.

Hanno osservato che la Terra emette calore nello spazio dalla superficie del pianeta e dall'atmosfera. Mentre entrambi si scaldano, diciamo con l'aggiunta di anidride carbonica, l'aria trattiene più vapore acqueo, che a sua volta agisce per intrappolare più calore nell'atmosfera. Questo rafforzamento dell'effetto serra della Terra è noto come feedback del vapore acqueo. In modo cruciale, il team ha scoperto che il feedback del vapore acqueo è appena sufficiente per annullare la velocità con cui l'atmosfera più calda emette più calore nello spazio.

Le loro scoperte, che appaiono oggi nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , può anche aiutare a spiegare quanto estremo, si svilupparono i climi di serra nell'antico passato della Terra. I coautori del documento sono il postdoc EAPS Daniel Koll e Tim Cronin, il Kerr-McGee Career Development Assistant Professor in EAPS.

Una finestra per il calore

Nella loro ricerca di una spiegazione, il team ha costruito un codice per le radiazioni, essenzialmente un modello della Terra e di come emette calore, o radiazioni infrarosse, nello spazio. Il codice simula la Terra come una colonna verticale, partendo da terra, attraverso l'atmosfera, e infine nello spazio. Koll può inserire una temperatura superficiale nella colonna, e il codice calcola la quantità di radiazione che fuoriesce attraverso l'intera colonna e nello spazio.

Il team può quindi ruotare su e giù la manopola della temperatura per vedere come le diverse temperature della superficie influirebbero sul calore in uscita. Quando hanno tracciato i loro dati, hanno osservato una linea retta, una relazione lineare tra la temperatura superficiale e il calore in uscita, in linea con molti lavori precedenti, e su un intervallo di 60 kelvin, o 108 gradi Fahrenheit.

"Quindi il codice delle radiazioni ci ha fornito ciò che fa effettivamente la Terra, " dice Koll. "Poi ho iniziato a scavare in questo codice, che è un pezzo di fisica frantumato insieme, per vedere quale di queste fisiche è effettivamente responsabile di questa relazione."

Per fare questo, la squadra ha programmato nel loro codice vari effetti nell'atmosfera, come la convezione, e umidità, o vapore acqueo, e girò queste manopole su e giù per vedere come a loro volta avrebbero influenzato la radiazione infrarossa in uscita dalla Terra.

"Avevamo bisogno di suddividere l'intero spettro della radiazione infrarossa in circa 350, 000 intervalli spettrali, perché non tutti gli infrarossi sono uguali, " dice Koll.

Lo spiega, mentre il vapore acqueo assorbe calore, o radiazioni infrarosse, non lo assorbe indiscriminatamente, ma a lunghezze d'onda incredibilmente specifiche, tanto che il team ha dovuto dividere lo spettro infrarosso in 350, 000 lunghezze d'onda solo per vedere esattamente quali lunghezze d'onda sono state assorbite dal vapore acqueo.

Alla fine, i ricercatori hanno osservato che quando la temperatura della superficie terrestre diventa più calda, essenzialmente vuole diffondere più calore nello spazio. Ma allo stesso tempo, si accumula vapore acqueo, e agisce per assorbire e intrappolare il calore a determinate lunghezze d'onda, creando un effetto serra che impedisce la fuoriuscita di una frazione di calore.

"È come se ci fosse una finestra, attraverso il quale un fiume di radiazioni può fluire nello spazio, " dice Koll. "Il fiume scorre sempre più veloce mentre rendi le cose più calde, ma la finestra si fa più piccola, perché l'effetto serra sta intrappolando molte di quelle radiazioni e impedendole di fuoriuscire".

Koll afferma che questo effetto serra spiega perché il calore che fuoriesce nello spazio è direttamente correlato alla temperatura superficiale, in quanto l'aumento del calore emesso dall'atmosfera viene annullato dall'aumento dell'assorbimento da parte del vapore acqueo.

Inclinando verso Venere

Il team ha scoperto che questa relazione lineare si interrompe quando le temperature medie della superficie globale della Terra superano di gran lunga i 300 K, o 80 F. In uno scenario del genere, sarebbe molto più difficile per la Terra diffondere calore all'incirca alla stessa velocità con cui la sua superficie si riscalda. Per adesso, quel numero si aggira intorno ai 285 K, o 53 F.

"Significa che stiamo ancora bene adesso, ma se la Terra diventa molto più calda, allora potremmo trovarci in un mondo non lineare, dove le cose potrebbero diventare molto più complicate, " dice Koll.

Per dare un'idea di come potrebbe essere un mondo così non lineare, invoca Venere, un pianeta che molti scienziati credono sia nato come un mondo simile alla Terra, anche se molto più vicino al sole.

"Un po' di tempo fa, pensiamo che la sua atmosfera avesse molto vapore acqueo, e l'effetto serra sarebbe diventato così forte che questa regione finestra si è chiusa, e niente poteva più uscire, e poi ottieni un riscaldamento impazzito, " dice Koll.

"In tal caso l'intero pianeta diventa così caldo che gli oceani iniziano a ribollire, cose brutte iniziano ad accadere, e ti trasformi da un mondo simile alla Terra a ciò che Venere è oggi."

Per la Terra, Koll calcola che un tale effetto incontrollato non entrerebbe in vigore fino a quando le temperature medie globali non raggiungeranno circa 340 K, o 152 F. Il riscaldamento globale da solo non è sufficiente a causare tale riscaldamento, ma altri cambiamenti climatici, come il riscaldamento della Terra nel corso di miliardi di anni a causa dell'evoluzione naturale del sole, potrebbe spingere la Terra verso questo limite, "a che punto, ci trasformeremo in Venere."

Koll afferma che i risultati del team possono aiutare a migliorare le previsioni dei modelli climatici. Possono anche essere utili per capire come si sono sviluppati gli antichi climi caldi sulla Terra.

"Se vivessi sulla Terra 60 milioni di anni fa, faceva molto più caldo, mondo stravagante, senza ghiaccio alle calotte polari, e palme e coccodrilli in quello che ora è il Wyoming, " dice Koll. "Una delle cose che mostriamo è, una volta che ti spingi verso climi davvero caldi come quello, che sappiamo è successo in passato, le cose si fanno molto più complicate".