Cómo la Tierra arroja calor al espacio

Desde la década de 1950, los científicos han observado una relación lineal sorprendentemente directa entre la temperatura de la superficie de la Tierra y su calor de salida. Crédito de la imagen: MIT.

Así como un horno emite más calor a la cocina que lo rodea a medida que aumenta la 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 directa entre la temperatura de la superficie de la Tierra y su calor de salida. 

Pero la Tierra es un sistema increíblemente desordenado, con muchas partes complicadas e interactivas que pueden afectar este proceso. Los científicos han encontrado difícil explicar por qué esta relación entre la temperatura superficial y el calor saliente es tan simple y lineal. Encontrar una explicación podría ayudar a los científicos climáticos a modelar los efectos del cambio climático. 

Ahora los científicos del Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT han 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, por ejemplo, mediante la adición de dióxido de carbono, el aire retiene más vapor de agua, que a su vez actúa atrapando más calor en la atmósfera. Este fortalecimiento del efecto invernadero de la Tierra se conoce como retroalimentación del vapor de agua. Crucialmente, 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. 

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

Sus hallazgos, que aparecen en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, también pueden ayudar a explicar cómo se desarrollaron los climas extremos e invernantes en el antiguo pasado de la Tierra. Los coautores del artículo son EAPS postdoc Daniel Koll y Tim Cronin, el Kerr-McGee Career Development Assistant Professor 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, en el espacio. El código simula a la Tierra como una columna vertical, comenzando desde el suelo, a través de la atmósfera y finalmente al espacio. Koll puede ingresar una temperatura superficial en la columna, y el código calcula la cantidad de radiación que escapa a través de toda la columna y hacia el espacio. 

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 de salida. 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 previos, y en un rango de 60 grados Kelvin, o 108 grados Fahrenheit (42,22222 ℃). 

"Así que el código de radiación nos dio lo que la Tierra realmente hace", dice Koll. "Luego comencé a profundizar en este código, que es una masa de física destrozada, para ver cuál de estos físicos es realmente responsable de esta relación". 

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

"Necesitábamos dividir todo el espectro de radiación infrarroja en aproximadamente 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 lo absorbe indiscriminadamente, 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 se calienta, 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 una fracción de calor se escape. 

"Es como si hubiera una ventana a través de la cual un río de radiación puede fluir al espacio", dice Koll. "El río fluye cada vez más rápido a medida que haces las cosas más calientes, pero la ventana se reduce, porque el efecto invernadero está atrapando mucha de esa radiación y evitando que se escape". 

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

Inclinarse hacia Venus 

El equipo descubrió que esta relación lineal se rompe cuando las temperaturas superficiales promedio globales de la Tierra van mucho más allá de 300 K o 80 F (26,66667 ℃). En tal escenario, sería mucho más difícil para la Tierra arrojar calor a aproximadamente la misma velocidad que su superficie se calienta. Por ahora, ese número ronda los 285 K, o 53 F (11,66667 ℃). 

"Significa que todavía estamos bien ahora, pero si la Tierra se calienta mucho más, entonces podríamos tener un mundo no lineal, donde las cosas podrían ser mucho más complicadas", dice Koll. 

Para dar una idea de cómo sería 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 cerca del sol. 

"En algún momento del pasado, pensamos que su atmósfera tenía una gran cantidad de vapor de agua, y el efecto invernadero se habría vuelto tan fuerte que esta ventana se cerró, y ya nada podría salir, y entonces te quedas sin calefacción". Koll dice. 

"En cuyo caso todo el planeta se calienta tanto que los océanos comienzan a evaporarse, cosas desagradables comienzan a suceder, y te transformas de un mundo parecido a la Tierra a lo que Venus es hoy". 

Para la Tierra, Koll calcula que ese efecto de desbocamiento no se activará hasta que las temperaturas promedio mundiales lleguen a 340 K o 152 F (66,66667 ℃). El calentamiento global por sí solo es insuficiente para causar dicho calentamiento, pero otros cambios climáticos, como el calentamiento de la Tierra en miles de millones de años debido a la evolución natural del sol, podría empujar a la Tierra hacia este límite, "en ese 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 climas cálidos antiguos en la Tierra. 

"Si vivías en la Tierra hace 60 millones de años, era un mundo mucho más caliente y loco, sin hielo en los cascos polares, y palmeras y cocodrilos en lo que ahora es Wyoming", dice Koll. "Una de las cosas que mostramos es que, una vez que presionas en climas realmente cálidos como ese, que sabemos que sucedieron en el pasado, las cosas se vuelven mucho más complicadas". 

Fuente: MIT,