地球是如何向太空散发热量的

正如烤箱内部温度上升时，会向周围的厨房释放更多热量一样，地球表面升温时，也会向太空释放更多热量。自20世纪50年代以来，科学家们已经观察到地球表面温度和放出热量之间的线性关系，这一关系非常简单。但地球是一个极其混乱的系统，有许多复杂的、相互作用的部分会影响这个过程。因此，科学家们发现很难解释为什么表面温度和放出热量之间的关系如此简单和线性。找到一个解释可以帮助气候科学家模拟气候变化的影响。

现在，来自麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的科学家们找到了答案，并预测了这种线性关系何时会破裂。他们观察到地球从地表和大气向太空散发热量。当两种温度都升高时，比如说二氧化碳的增加，空气中就会含有更多的水蒸气，水蒸气反过来又会在大气中吸收更多的热量。地球温室效应的加强被称为水汽反馈。至关重要的是，研究小组发现，水蒸气的反馈足以抵消较暖的大气向太空释放更多热量的速度。他们的发现发表在今天的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上，也可能有助于解释地球远古时代的极端温室气候是如何展开的。

在寻找解释的过程中，研究小组建立了一个辐射密码——本质上是一个地球模型，以及它是如何向太空发射热量或红外辐射的。该代码模拟地球为一个垂直柱，从地面开始，向上穿过大气层，最后进入太空。Koll可以将表面温度输入到列中，代码计算通过整个列进入空间的辐射量。然后，研究小组可以上下转动温度旋钮，看看不同的表面温度会如何影响呼出的热量。当他们绘制数据时，他们观察到一条直线——表面温度和放出热量之间的线性关系，这与之前的许多研究一致，范围超过60凯尔文，即华氏108度。

“所以辐射密码告诉了我们地球的实际活动，”科尔说。“然后我开始深入研究这段代码，它是一堆物理碎片，我想看看到底是哪个物理因素导致了这种关系。”为了做到这一点，研究小组将大气中的各种效应(如对流、湿度或水蒸气)编入程序，然后上下转动这些旋钮，看看它们如何反过来影响地球发出的红外辐射。科尔说:“我们需要把整个红外辐射光谱分解成大约35万个光谱区间，因为并不是所有的红外光谱都是相等的。”他解释说，虽然水蒸气确实会吸收热量，或者红外线辐射，但它不会不分青红皂白地吸收热量，而是吸收波长非常特殊的波长，以至于研究小组不得不将红外光谱分解成35万个波长，以便准确地看到水蒸气吸收了哪些波长。

最后，研究人员观察到，随着地球表面温度的升高，它本质上是想向太空释放更多的热量。但与此同时，水汽会积聚起来，在特定波长吸收和吸收热量，产生温室效应，阻止一部分热量流失。科尔说:“这就像有一扇窗户，通过这扇窗户，辐射可以流向太空。”“随着温度升高，河水流速越来越快，但窗户越来越小，因为温室效应吸收了大量的辐射，阻止了辐射的逃逸,这种温室效应解释了为什么大气中释放到太空的热量与地表温度直接相关，因为大气中释放的热量的增加被水蒸气吸收的增加所抵消。

研究小组发现，当全球平均地表温度远远超过300k或80f时，这种线性关系就会失效。在这种情况下，地球以与地表温度大致相同的速度散发热量就会困难得多。目前，这个数字在285 K左右徘徊。“这意味着我们现在仍然很好，但是如果地球变得更热，那么我们可能会进入一个非线性的世界，那里的物质会变得更加复杂，”科尔说。

为了了解这样一个非线性的世界可能是什么样子，他引用了金星——许多科学家认为金星一开始是一个类似于地球的世界，但离太阳更近。科尔说:“在过去的一段时间里，我们认为它的大气中含有大量的水蒸气，温室效应会变得非常强烈，以至于这个窗口区域关闭了，没有任何东西能再出来，然后你就会得到失控的热量。”“在这种情况下，整个星球都变得非常热，海洋开始沸腾，讨厌的事情开始发生，你从地球一样的世界变成了今天的金星。”

根据科尔的计算，对于地球来说，在全球平均气温达到约340 K(合152华氏度)之前，这种失控效应不会产生。仅仅全球变暖还不足以导致这种变暖，但是其他的气候变化，比如太阳自然演化导致的数十亿年的地球变暖，可能会把地球推向这个极限，“到那个时候，我们就会变成金星。”科尔说，研究小组的结果可能有助于改善气候模型的预测。它们也可能有助于了解地球上古老的炎热气候是如何展开的。如果你生活在6000万年前的地球上，那将是一个更热、更古怪的世界，极地冰盖上没有冰，怀俄明州的棕榈树和鳄鱼也没有。”“我们展示的一件事是，一旦你到了那种非常炎热的气候，我们知道过去发生过这种情况，事情就会变得复杂得多。”