Mapas ASR para las simulaciones THAI de Ben 1 y Ben 2, para los cuatro GCM. Los valores mínimo, medio y máximo promedio temporal también se muestran debajo de cada mapa. Crédito:The Planetary Science Journal (2022). DOI:10.3847/PSJ/ac6cf0
Un equipo internacional, que incluye astrofísicos de la Universidad de Exeter, está tomando lecciones y técnicas aprendidas de la ciencia climática de la Tierra para allanar el camino para modelar de manera sólida las atmósferas de los planetas que orbitan estrellas distantes, ayudando en la búsqueda de exoplanetas potencialmente habitables.
Fundamentalmente, el equipo cree que esta investigación también puede mejorar nuestra comprensión y predicciones fundamentales del clima futuro en la Tierra.
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) lanzado recientemente y los próximos telescopios como el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT), el Telescopio de Treinta Metros (TMT) o el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT) pronto podrán caracterizar las atmósferas de exoplanetas rocosos que orbitan enanas rojas cercanas (estrellas más frías y pequeñas que nuestro propio sol). Sin embargo, sin modelos sólidos para interpretar y guiar estas observaciones, no podremos desbloquear todo el potencial de estos observatorios.
Un método consiste en utilizar Modelos de Circulación General (GCM) tridimensionales, similares a los que se utilizan para predecir el clima de la Tierra, para simular las características atmosféricas a medida que los planetas orbitan alrededor de sus estrellas anfitrionas. Sin embargo, existen diferencias intrínsecas dentro de estos GCM complejos que conducen a predicciones climáticas contrastantes y, en consecuencia, a nuestra interpretación de las observaciones de exoplanetas.
En los últimos años, los científicos han perfeccionado los GCM en un intento por reproducir y comprender la tendencia de calentamiento actual asociada con el cambio climático antropogénico en la Tierra. Un enfoque clave es modelar el clima con múltiples GCM y contrastarlos a través de Proyectos de Intercomparación de Modelos, o MIP, que han sido fundamentales para nuestro conocimiento del clima de la Tierra.
El equipo, dirigido por tres investigadores de carrera inicial:Thomas Fauchez (NASA GSFC, American University, EE. UU.), Denis Sergeev (Universidad de Exeter, Reino Unido) y Martin Turbet (LMD, Francia), ha utilizado esta experiencia y las actualizaciones recientes del modelo para emprender una intercomparación completa de varios de los principales GCM del mundo aplicándolos al estudio de exoplanetas.
El Dr. Sergeev, investigador postdoctoral de la Universidad de Exeter, dijo:"Las intercomparaciones de múltiples modelos son uno de los pilares de la ciencia climática moderna y una historia de éxito de la colaboración internacional. Son fundamentales para nuestra comprensión de los procesos climáticos pasados, presentes y futuros. Al llevar estas comparaciones a la investigación de exoplanetas, en última instancia, podemos mejorar nuestra capacidad para interpretar las observaciones del telescopio".
El nuevo proyecto fundamental, llamado THAI (intercomparación de atmósfera habitable TRAPPIST-1) se centra en un exoplaneta confirmado, del tamaño de la Tierra, etiquetado como TRAPPIST-1e. Es el cuarto planeta desde su estrella anfitriona, una enana roja TRAPPIST-1 ubicada aproximadamente a 40 años luz de la Tierra. Crucialmente, como la órbita del planeta se encuentra dentro de la zona habitable de TRAPPIST-1, puede tener un clima templado adecuado para que exista agua líquida en su superficie.
El proyecto combina cuatro modelos ampliamente utilizados:ExoCAM (basado en el modelo del Centro Nacional de Investigación Atmosférica de EE. UU.), LMD-G (desarrollado por el Laboratoire de Meterologie Dynamique en París), ROCKE-3D (basado en el modelo GISS de la NASA ) y el UM (desarrollado en la Oficina Meteorológica del Reino Unido y adaptado para exoplanetas por investigadores de la Universidad de Exeter), para considerar cuatro escenarios diferentes para la atmósfera de TRAPPIST-1e.
Estos comprendían dos escenarios para la superficie (completamente seca y uno cubierto por un océano global que proporciona humedad a la atmósfera) y dos escenarios para la composición atmosférica (atmósfera rica en nitrógeno con los niveles de CO2 , o un CO2 similar a Marte -atmósfera dominada).
Una de las mayores fuentes de diferencias entre GCM son las nubes:se ha demostrado que sus propiedades ópticas, altitud, grosor y cobertura difieren significativamente entre los modelos debido a las diferencias en las parametrizaciones de las nubes. "Representar la física húmeda a pequeña escala en GCM es notoriamente difícil. Es una de las principales vías de investigación atmosférica tanto para la ciencia del clima de exoplanetas como de la Tierra", dijo el Dr. Sergeev.
El Dr. Fauchez, quien dirige el proyecto THAI, dijo:"THAI ha aprovechado la valiosa experiencia de esfuerzos similares en la comunidad de ciencias de la Tierra que estudian el calentamiento global antropogénico. Sin embargo, también ha podido transferir conocimiento a través de mejoras en el modelo subyacente. marcos desarrollados como parte de las aplicaciones de exoplanetas".
Los resultados de estos análisis, que incluyen mostrar, por primera vez, cómo el uso de un GCM puede afectar la interpretación de datos futuros y la planificación futura de campañas de observación, se presentan en tres artículos de acceso totalmente abierto. Los resultados completos se publicarán el 15 de septiembre de 2022 en un número especial de The Planetary Science Journal (PSJ).
Sin embargo, el equipo cree que THAI no solo allanará el camino para un modelo robusto de mundos distantes potencialmente habitables, sino que también ha conectado nuestros esfuerzos para encontrar vida más allá de la Tierra con estudios de nuestro propio clima cambiante.
El Dr. Sergeev agregó:"Nuestro trabajo en TRAPPIST-1e, con una configuración orbital muy diferente a la Tierra, reveló varias mejoras, por ejemplo, en el tratamiento del calentamiento estelar de la atmósfera, ahora implementado en la UM y aplicado a la Tierra".
THAI allana el camino para un proyecto de intercomparación de modelos más grande, los climas que utilizan suites interactivas de intercomparaciones anidadas para estudios de exoplanetas (CUISINES) que incluiría una diversidad más amplia de objetivos y modelos de exoplanetas para compararlos sistemáticamente y, por lo tanto, validarlos. Buscando en los cielos los componentes básicos de la vida en el universo
