Tout comme un four dégage plus de chaleur dans la cuisine environnante à mesure que sa température interne augmente, la Terre dégage plus de chaleur dans l'espace à mesure que sa surface se réchauffe. Depuis les années 1950, les scientifiques ont observé une méthode étonnamment simple, relation linéaire entre la température de surface de la Terre et sa chaleur sortante.

Mais la Terre est un système incroyablement désordonné, avec beaucoup de compliqué, pièces en interaction qui peuvent affecter ce processus. Les scientifiques ont donc eu du mal à expliquer pourquoi cette relation entre la température de surface et la chaleur sortante est si simple et linéaire. Trouver une explication pourrait aider les climatologues à modéliser les effets du changement climatique.

Maintenant, des scientifiques du Département de la Terre du MIT, Les sciences atmosphériques et planétaires (EAPS) ont trouvé la réponse, ainsi qu'une prédiction du moment où cette relation linéaire se brisera.

Ils ont observé que la Terre émet de la chaleur vers l'espace depuis la surface de la planète ainsi que depuis l'atmosphère. Comme les deux chauffent, disons par l'ajout de dioxyde de carbone, l'air contient plus de vapeur d'eau, qui à son tour agit pour piéger plus de chaleur dans l'atmosphère. Ce renforcement de l'effet de serre de la Terre est connu sous le nom de rétroaction de vapeur d'eau. Surtout, l'équipe a découvert que la rétroaction de la vapeur d'eau est juste suffisante pour annuler la vitesse à laquelle l'atmosphère plus chaude émet plus de chaleur dans l'espace.

Leurs découvertes, qui apparaissent aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , peut également aider à expliquer à quel point l'extrême, les climats de serre dans le passé antique de la Terre se sont déroulés. Les co-auteurs de l'article sont le postdoctorant EAPS Daniel Koll et Tim Cronin, le professeur adjoint Kerr-McGee en développement de carrière à l'EAPS.

Une fenêtre pour la chaleur

Dans leur quête d'explication, l'équipe a construit un code de rayonnement - essentiellement, un modèle de la Terre et comment elle émet de la chaleur, ou rayonnement infrarouge, dans l'espace. Le code simule la Terre comme une colonne verticale, en partant du sol, à travers l'atmosphère, et enfin dans l'espace. Koll peut entrer une température de surface dans la colonne, et le code calcule la quantité de rayonnement qui s'échappe à travers toute la colonne et dans l'espace.

L'équipe peut ensuite tourner le bouton de température de haut en bas pour voir comment différentes températures de surface affecteraient la chaleur sortante. Quand ils ont tracé leurs données, ils ont observé une ligne droite - une relation linéaire entre la température de surface et la chaleur sortante, dans la lignée de nombreux travaux antérieurs, et sur une plage de 60 kelvins, ou 108 degrés Fahrenheit.

« Donc, le code des radiations nous a donné ce que fait réellement la Terre, " dit Koll. " Ensuite, j'ai commencé à creuser dans ce code, qui est un morceau de physique brisé ensemble, pour voir laquelle de ces physiques est réellement responsable de cette relation."

Pour faire ça, l'équipe a programmé dans son code divers effets dans l'atmosphère, comme la convection, et l'humidité, ou vapeur d'eau, et tourné ces boutons de haut en bas pour voir comment ils affecteraient à leur tour le rayonnement infrarouge sortant de la Terre.

"Nous devions diviser tout le spectre du rayonnement infrarouge en environ 350, 000 intervalles spectraux, car tous les infrarouges ne sont pas égaux, " dit Koll.

Il explique que, tandis que la vapeur d'eau absorbe la chaleur, ou rayonnement infrarouge, il ne l'absorbe pas sans discernement, mais à des longueurs d'onde incroyablement spécifiques, à tel point que l'équipe a dû diviser le spectre infrarouge en 350, 000 longueurs d'onde juste pour voir exactement quelles longueurs d'onde ont été absorbées par la vapeur d'eau.

À la fin, les chercheurs ont observé qu'à mesure que la température à la surface de la Terre augmente, il veut essentiellement répandre plus de chaleur dans l'espace. Mais en même temps, la vapeur d'eau s'accumule, et agit pour absorber et piéger la chaleur à certaines longueurs d'onde, créant un effet de serre qui empêche une fraction de la chaleur de s'échapper.

"C'est comme s'il y avait une fenêtre, à travers lequel une rivière de rayonnement peut s'écouler dans l'espace, " dit Koll. " La rivière coule de plus en plus vite à mesure que vous faites les choses plus chaudes, mais la fenêtre devient plus petite, parce que l'effet de serre piège une grande partie de ce rayonnement et l'empêche de s'échapper."

Koll dit que cet effet de serre explique pourquoi la chaleur qui s'échappe dans l'espace est directement liée à la température de surface, car l'augmentation de la chaleur émise par l'atmosphère est annulée par l'augmentation de l'absorption de la vapeur d'eau.

Basculement vers Vénus

L'équipe a découvert que cette relation linéaire se brise lorsque les températures de surface moyennes mondiales de la Terre dépassent largement 300 K, ou 80 F. Dans un tel scénario, il serait beaucoup plus difficile pour la Terre de dégager de la chaleur à peu près au même rythme que sa surface se réchauffe. Pour l'instant, ce nombre oscille autour de 285 K, ou 53 F.

"Cela signifie que nous sommes toujours bons maintenant, mais si la Terre devient beaucoup plus chaude, alors nous pourrions être dans un monde non linéaire, où les choses pourraient devenir beaucoup plus compliquées, " dit Koll.

Pour donner une idée de ce à quoi pourrait ressembler un tel monde non linéaire, il invoque Vénus, une planète qui, selon de nombreux scientifiques, a commencé comme un monde similaire à la Terre, bien que beaucoup plus proche du soleil.

« Quelque temps dans le passé, nous pensons que son atmosphère avait beaucoup de vapeur d'eau, et l'effet de serre serait devenu si fort que cette zone de fenêtre s'est fermée, et plus rien ne pouvait sortir, et puis vous obtenez un chauffage incontrôlable, " dit Koll.

"Auquel cas la planète entière devient si chaude que les océans commencent à bouillir, des choses désagréables commencent à arriver, et vous vous transformez d'un monde semblable à la Terre à ce qu'est Vénus aujourd'hui."

Pour la Terre, Koll calcule qu'un tel effet d'emballement ne se produira pas avant que les températures moyennes mondiales n'atteignent environ 340 K, ou 152 F. Le réchauffement climatique à lui seul est insuffisant pour provoquer un tel réchauffement, mais d'autres changements climatiques, comme le réchauffement de la Terre sur des milliards d'années dû à l'évolution naturelle du soleil, pourrait pousser la Terre vers cette limite, "à quel point, nous nous transformerions en Vénus."

Koll dit que les résultats de l'équipe peuvent aider à améliorer les prévisions des modèles climatiques. Ils peuvent également être utiles pour comprendre comment les anciens climats chauds de la Terre se sont déroulés.

"Si vous viviez sur Terre il y a 60 millions d'années, il faisait beaucoup plus chaud, monde loufoque, sans glace aux calottes polaires, et des palmiers et des crocodiles dans ce qui est maintenant le Wyoming, " dit Koll. " L'une des choses que nous montrons est, une fois que vous poussez vers des climats vraiment chauds comme ça, dont nous savons qu'il s'est produit dans le passé, les choses se compliquent beaucoup plus."