地球是如何向太空散發熱量的

正如烤箱內部溫度上升時，會向周圍的廚房釋放更多熱量一樣，地球表面升溫時，也會向太空釋放更多熱量。自20世紀50年代以來，科學家們已經觀察到地球表面溫度和放出熱量之間的線性關係，這一關係非常簡單。但地球是一個極其混亂的系統，有許多複雜的、相互作用的部分會影響這個過程。因此，科學家們發現很難解釋為什麼表面溫度和放出熱量之間的關係如此簡單和線性。找到一個解釋可以幫助氣候科學家模擬氣候變化的影響。

現在，來自麻省理工學院地球、大氣和行星科學系(EAPS)的科學家們找到了答案，並預測了這種線性關係何時會破裂。他們觀察到地球從地表和大氣向太空散發熱量。當兩種溫度都升高時，比如說二氧化碳的增加，空氣中就會含有更多的水蒸氣，水蒸氣反過來又會在大氣中吸收更多的熱量。地球溫室效應的加強被稱為水汽反饋。至關重要的是，研究小組發現，水蒸氣的反饋足以抵消較暖的大氣向太空釋放更多熱量的速度。他們的發現發表在今天的《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜誌上，也可能有助於解釋地球遠古時代的極端溫室氣候是如何展開的。

在尋找解釋的過程中，研究小組建立了一個輻射密碼——本質上是一個地球模型，以及它是如何向太空發射熱量或紅外輻射的。該代碼模擬地球為一個垂直柱，從地面開始，向上穿過大氣層，最後進入太空。Koll可以將表面溫度輸入到列中，代碼計算通過整個列進入空間的輻射量。然後，研究小組可以上下轉動溫度旋鈕，看看不同的表面溫度會如何影響呼出的熱量。當他們繪製數據時，他們觀察到一條直線——表面溫度和放出熱量之間的線性關係，這與之前的許多研究一致，範圍超過60凱爾文，即華氏108度。

「所以輻射密碼告訴了我們地球的實際活動，」科爾說。「然後我開始深入研究這段代碼，它是一堆物理碎片，我想看看到底是哪個物理因素導致了這種關係。」為了做到這一點，研究小組將大氣中的各種效應(如對流、濕度或水蒸氣)編入程序，然後上下轉動這些旋鈕，看看它們如何反過來影響地球發出的紅外輻射。科爾說:「我們需要把整個紅外輻射光譜分解成大約35萬個光譜區間，因為並不是所有的紅外光譜都是相等的。」他解釋說，雖然水蒸氣確實會吸收熱量，或者紅外線輻射，但它不會不分青紅皂白地吸收熱量，而是吸收波長非常特殊的波長，以至於研究小組不得不將紅外光譜分解成35萬個波長，以便準確地看到水蒸氣吸收了哪些波長。

最後，研究人員觀察到，隨著地球表面溫度的升高，它本質上是想向太空釋放更多的熱量。但與此同時，水汽會積聚起來，在特定波長吸收和吸收熱量，產生溫室效應，阻止一部分熱量流失。科爾說:「這就像有一扇窗戶，通過這扇窗戶，輻射可以流向太空。」「隨著溫度升高，河水流速越來越快，但窗戶越來越小，因為溫室效應吸收了大量的輻射，阻止了輻射的逃逸,這種溫室效應解釋了為什麼大氣中釋放到太空的熱量與地表溫度直接相關，因為大氣中釋放的熱量的增加被水蒸氣吸收的增加所抵消。

研究小組發現，當全球平均地表溫度遠遠超過300k或80f時，這種線性關係就會失效。在這種情況下，地球以與地表溫度大致相同的速度散發熱量就會困難得多。目前，這個數字在285 K左右徘徊。「這意味著我們現在仍然很好，但是如果地球變得更熱，那麼我們可能會進入一個非線性的世界，那裡的物質會變得更加複雜，」科爾說。

為了了解這樣一個非線性的世界可能是什麼樣子，他引用了金星——許多科學家認為金星一開始是一個類似於地球的世界，但離太陽更近。科爾說:「在過去的一段時間裡，我們認為它的大氣中含有大量的水蒸氣，溫室效應會變得非常強烈，以至於這個窗口區域關閉了，沒有任何東西能再出來，然後你就會得到失控的熱量。」「在這種情況下，整個星球都變得非常熱，海洋開始沸騰，討厭的事情開始發生，你從地球一樣的世界變成了今天的金星。」

根據科爾的計算，對於地球來說，在全球平均氣溫達到約340 K(合152華氏度)之前，這種失控效應不會產生。僅僅全球變暖還不足以導致這種變暖，但是其他的氣候變化，比如太陽自然演化導致的數十億年的地球變暖，可能會把地球推向這個極限，「到那個時候，我們就會變成金星。」科爾說，研究小組的結果可能有助於改善氣候模型的預測。它們也可能有助於了解地球上古老的炎熱氣候是如何展開的。如果你生活在6000萬年前的地球上，那將是一個更熱、更古怪的世界，極地冰蓋上沒有冰，懷俄明州的棕櫚樹和鱷魚也沒有。」「我們展示的一件事是，一旦你到了那種非常炎熱的氣候，我們知道過去發生過這種情況，事情就會變得複雜得多。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！