La Tierra, para mantenerse térmicamente estable a lo largo del tiempo debe ser capaz de evacuar, en término medio, toda la energía recibida en forma de radiación.
Existen unos mecanismos reguladores que efectúan dicha tarea de diferentes maneras.
De la energía solar que llega a la Tierra, en forma de radiación de onda corta, casi la mitad es reflejada de nuevo al espacio por las nubes, la superficie y el aire.
El calor que logra alcanzar la Tierra es devuelto por las noches al espacio, en forma de radiación de onda larga.
Sin embargo, ciertos gases como el vapor de agua y el anhídrido carbónico reflejan parte de esta radiación de nuevo a la superficie.
La atmósfera se calienta desde abajo, y no desde arriba como a primera vista podría pensarse; esto explica que se produzca un descenso de temperatura en la troposfera a medida que aumenta la altitud.
La atmósfera irradia también calor hacia arriba del mismo modo que lo hace la Tierra, que se pierde en el espacio, y hacia abajo, siendo reabsorbido por ésta.
Tales intercambios suponen la devolución al espacio de una cantidad de calor igual a la que efectivamente se recibe, hecho que permite mantener el equilibrio térmico del planeta.
Radiación térmica
Todo cuerpo a una temperatura T emite radiación siguiendo la Ley de Planck y teniendo una emisión máxima a una longitud de onda regulada por la Ley de Wien.
El Sol emite como un cuerpo negro a 5.900 K y el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0,15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras, con un máximo a 0,475 micras.
Su radiación se puede considerar de onda corta.
La Tierra emite también radiación térmica, pero siendo su temperatura mucho menor (aproximadamente 288 K) emite entre 3 y 80 micras y su máximo ocurre a 10 micras, por lo que su radiación puede considerarse como infrarroja o de onda larga.
Toda la superficie de la Tierra emite radiación pero la radiación solar sólo se recibe en la cara diurna.
Por eso, la radiación solar incidente en la parte exterior de la atmósfera puede considerarse en promedio como :
Temperatura de equilibrio de la Tierra sin atmósfera
En una primera aproximación se puede decir que la emisión térmica de la superficie de la Tierra, , compensa la irradiación sobre la superficie de un disco terrestre, .
Si esto último fuera cierto se podría calcular fácilmente la temperatura media de la Tierra mediante la Ley de Stefan-Boltzmann .
Suponiendo la Tierra un cuerpo negro y conociendo el valor de la constante solar (1367Wm-2) se efectúan los siguientes cálculos y se obtiene :
Naturalmente esto sería en condiciones ideales, es decir, siendo la Tierra un cuerpo negro sin atmósfera.
En la realidad existen otros factores que ayudan o impiden la evacuación del calor recibido.
En el cálculo anterior hay dos defectos.
Parte de la energía solar es reflejada por la Tierra que es lo que se denomina albedo y esto disminuye la temperatura de la Tierra hecho por el cálculo anterior hasta -18 °C y parte de la energía radiada por la Tierra que tiene una longitud larga entre 3 y 80 micras es absorbido por los gases de efecto invernadero, calentando la atmósfera hasta la temperatura actual de 15 °C, bastante mayor a la calculada.
Albedo
Este efecto no es otra cosa que la reflexión de la radiación solar al incidir sobre el planeta.
Las superficies claras presentan mayor albedo que las oscuras.
Así, las nubes, el hielo y la nieve son las superficies con mayor albedo mientras que los bosques, los océanos y, en definitiva, la roca pelada tienen un albedo inferior.
La Tierra tiene un albedo de alrededor del 31,3%, causado en su mayor parte por las nubes y los casquetes polares.
Las nubes y los gases atmosféricos (dispersión atmosférica) reflejan hacia el espacio el 22,5% de la radiación solar incidente.
Aproximadamente un 12% de la radiación incidente es difundida por el aire de la que el 5% es difundido hacia la superficie terrestre y el 7% se pierde en el espacio.
El 28,7% de la radiación solar llega directamente a la Tierra, siendo reflejada directamente al espacio exterior un 8,8%.
El albedo terrestre procede en un 22,5% nubes y la difusión atmosférica, y un 8,8% de la superficie terrestre.
Temperatura de equilibrio de la Tierra considerando el albedo
Para tener en cuenta el albedo en el balance radiativo solo hace falta multiplicar la constante solar por (1-b) donde b es el coeficiente de albedo b=0,313.
Así queda un valor que es la cantidad de radiación realmente absorbida por la Tierra.
Y con este valor se procede a los cálculos anteriores.
Como se puede ver el albedo rebaja aún más la temperatura media del planeta así pues la contribución del efecto invernadero es aún mayor.
Ocurre que la mayor parte de ese aumento de temperatura media lo provoca la misma agua que causa el albedo.
El resto hasta los 15 °C actuales son para el CO2 y el resto de gases invernadero.
Nubosidad
La nubosidad por sí sola afecta enormemente, y de dos formas contradictorias, al balance energético de la Tierra.
Las nubes absorben una pequeña cantidad de radiación incidente aproximadamente un 2% en promedio.
Su mayor efecto es la dispersión de la radiación solar que afecta al 40% de dicha radiación de la que el 17 % de la radiación solar incidente es reflejada.
Esto hace que las nubes supongan la mayor contribución al albedo terrestre.
El 23% restante es difundido por la nubes hacia la superficie terrestre y absorbido por ésta.
Por esto a la radiación superficial directa hay que añadir la radiación difusa procedente de las nubes y del propio aire.
De la misma forma devuelven con mucha mayor eficiencia una buena parte de la radiación infrarroja que reciben de la Tierra, lo que hace que también sean la mayor fuente de efecto invernadero.
El balance entre ambos efectos no es fácil de determinar, pero se calcula que reflejan un 40% más de energía de la que capturan por lo que su efecto neto sería de enfriamiento.
Naturalmente, tales cálculos están hechos sobre las nubes actuales.
Nadie puede asegurar del todo el efecto de las nubes prehistóricas ni el de las nubes futuras, pues la configuración y distribución de éstas no solo depende de la humedad del entorno sino también de los aerosoles y posibles núcleos de condensación presentes en el aire.
Dispersión (física)
Las moléculas de aire desvían los fotones que impactan sobre ellas.
Este fenómeno se llama dispersión molecular y según el parámetro de impacto de estos choques la desviación será mayor o menor.
La dispersión es la que da el característico color azul al cielo.
Al elevarse en la atmósfera la concentración de partículas disminuye y el cielo toma un característico color negro, descrito por los astronautas.
El 12% de la radiación solar incidente es dispersada por la atmósfera.
Gracias a este fenómeno nos llega radiación adicional del sol que se dispersa, rebota en el aire y regresa a la tierra en forma de radiación difusa.
Esta radiación difusa representa un 5%.
El 7% restante es dispersado hacia el espacio contribuyendo al albedo.
Este fenómeno también contribuye de forma importante en el efecto invernadero, donde una buena parte de la radiación infrarroja reemitida hacia la Tierra lo es debido al rebote de dichos rayos con moléculas libres de agua o dióxido de carbono.
Balance radiativo de la Tierra
Esta figura es una, representación esquemática simplificada de los flujos de energía entre el espacio, la atmósfera de la Tierra, y la superficie de la Tierra, y muestra cómo estos flujos se combinan para mantener caliente la superficie del planeta creando el efecto invernadero.
Si 235 W/m 2 fuera el calor total recibido en la superficie, entonces, la temperatura de equilibrio de la superficie de la Tierra sería de -20 °C (Lashof 1989).
En cambio, la atmósfera de la Tierra recicla el calor que viene de la superficie y entrega unos 324 W/m 2 adicionales que elevan la temperatura media de la superficie a aproximadamente +14 °C .
Este proceso por el que se recicla la energía en la atmósfera para calentar la superficie de la Tierra es conocido como el efecto invernadero y es una parte esencial del clima de la Tierra.
Bajo condiciones de equilibrio, la cantidad total de energía que entra en el sistema por la radiación solar se equilibrará exactamente con la cantidad de energía radiada al espacio, permitiendo a la Tierra mantener una temperatura media constante con el tiempo.
El balance radiativo terrestre se refiere al hecho de que durante periodos prolongados de tiempo la temperatura en la Tierra se ha mantenido esencialmente constante.
Esto significa un equilibrio térmico entre la radiación que entra por la parte superior de la atmósfera y la que sale, la energía que absorbe la atmósfera y la que irradia, la energía que absorbe la superficie terrestre y la que irradia, pues ninguna de las parte aumenta de temperatura.
Los intercambios de energía se expresan en vatios por metro cuadrado (W/m 2 ).
Sin embargo, medidas recientes indican que la Tierra está absorbiendo 0,85 ± 0,15 W/m 2 más que lo que emite al espacio (Hansen et al. 2.005).
Este aumento, asociado con el calentamiento global, se cree que ha sido causado por el reciente aumento en las concentraciones de los gases de efecto invernadero.
Radiación solar incidente
El Sol es el responsable de toda la energía que alcanza la superficie de la Tierra.
El Sol emite radiación que se puede considerar de onda corta y que prácticamente traspasa la atmósfera casi sin problemas.
Veremos aquí las interacciones que tiene con la atmósfera.
La Tierra intercepta una energía del Sol que en la parte superior de la atmósfera vale 1366 W/m 2 .
Sin embargo sólo intercepta energía la sección de la Tierra que mira al Sol mientras que la emite toda la superficie terrestre, así que hay que dividir la constante solar entre 4 lo que nos lleva a 342 W/m 2 .
De esa energía, 77 W/m 2 es reflejada por las nubes o difundida por el aire hacia el espacio y 30 W/m 2 es reflejada hacia el espacio por la superficie terrestre.
Así que 107 W/m 2 se pierden en el espacio por el albedo terrestre. El albedo es 0,313 así que se pierden en el espacio 0,313*342=107 W/m 2 .
Por lo que quedan 342-107=235 W/m 2 que son los que penetran en la atmósfera.
Pero empecemos por el principio :
De los 342 W/m 2 el 51,7% es decir 177 W/m 2 son dispersados por la nubes o por los gases atmosféricos (22,5%= 77W/m 2 en dirección al espacio y 29,2%= 100 W/m 2 en dirección a la Tierra).
Sólo el 2% es decir 7W/m 2 son absorbidos por las nubes.
El aire absorbe un 17,5% es decir 60 W/m 2 .
A la superficie de la Tierra llega directamente un 28,7% de la radiación solar inicial, es decir 198 W/m 2 , de la que un 19,9% es decir 168 W/m 2 son absorbidos por la Tierra y un 8,8% es decir 30 W/m 2 son irradiados directamente al espacio.
Balance de radiación corta
Por la parte superior de la atmósfera se pierde el 31,3 % es decir 107 W/m 2 de la radiación corta (30 reflejados por el suelo y 77 reflejados por las nubes o difundidos por el aire).
Por ello entran en la atmósfera 235 W/m 2 .
La atmósfera absorbe un 19,5% de la radiación corta que corresponde a 67 W/m 2 .
La superficie de la Tierra absorbe un 49,1% que corresponde a 168 W/m 2 . (100 W/m 2 reflejado por las nubes o difundido por el aire y 68 como radiación directa absorbida por la superficie terrestre).
Radiación térmica terrestre
La Tierra, como todo cuerpo caliente, emite radiación, pero al ser su temperatura mucho menor que la solar, emite radiación infrarroja de una longitud de onda, mucho más larga que la incidente y que interacciona con los gases de efecto invernadero de la atmósfera.
Más del 75% del calor capturado por la atmósfera, puede atribuirse a la acción de los gases de efecto invernadero.
La atmósfera transfiere la energía recibida tanto hacia el espacio (37,5%) como hacia la superficie de la Tierra (62,5%); la cantidad transferida en cada dirección depende de la estructura y densidad de la atmósfera.
Al recibir la superficie de la Tierra, de la atmósfera más energía que la proveniente del Sol, la temperatura de la superficie puede alcanzar en promedio los 14 °C.
Vayamos por partes :
La superficie de la Tierra por estar caliente irradia a la atmósfera radiación térmica por valor de 114 % de la radiación solar incidente es decir 390 W/m 2 .
De ellos 40 W/m 2 van directamente al espacio (un 11,7% de la radiación solar incidente).
El resto 350 W/m 2 son absorbidos por la atmósfera.
La Tierra irradia a la atmósfera un 23% de la radiación solar incidente es decir 78 W/m 2 por la evaporación del agua.
Cada gramo de agua para pasar a vapor de agua debe absorber 537 calorías que se roban de la superficie de la Tierra.
Es el mismo efecto que cuando nos mojamos y la evaporación del agua sobre nuestro cuerpo nos refresca.
La Tierra irradia a la atmósfera un 7% de la radiación solar incidente es decir 24 W/m 2 por convección y turbulencia del aire atmosférico.
Sabemos que el aire en contacto con la superficie de la Tierra se calienta por lo que se dilata, pierde densidad y asciende, del mismo modo el aire frío más denso desciende donde roba calor de la superficie de la Tierra y completa el ciclo.
A esto se le llama convección y hay una transferencia de calor de la Tierra a la atmósfera.
La atmósfera absorbe el 132% de la radiación solar incidente es decir 452 W/m 2 . (350+78+24).
La atmósfera como todo cuerpo caliente emite radiación térmica emite el 151,7% de la radiación solar incidente es decir 519 W/m 2 y lo hace irradiando hacia el suelo el 94,7% de la radiación solar incidente es decir 324 W/m 2 (mientras hacia el espacio irradia el 57% de la radiación solar incidente es decir 195 W/m 2 (165 irradiados por la atmósfera y 30 por la nubes).
Balance de radiación infrarroja o larga
Por la parte superior de la atmósfera se irradia el 68,7% es decir 235 W/m 2 (195 por la atmósfera y nubes y 40 por el suelo).
Como en el albedo expulsaba un 31,3% de la energía por esta superficie sale el 100% y el sistema Tierra-atmósfera no se calienta.
A nivel de atmósfera se pierde un 67 W/m 2 de la energía en onda larga (452 absorbidos por la atmósfera y 519 perdidos que corresponden 195 irradiados por atmósfera y nubes y 324 irradiados por el suelo), pero como la atmósfera ganaba 67 W/m 2 de energía en onda corta queda equilibrada.
A nivel de la superficie terrestre se pierde en energía de onda larga 492 W/m 2 (40 radiados al espacio, 350 a la atmósfera, 24 por convección y 78 por evaporación) y como la superficie terrestre ganaba también 492 W/m 2 (168 de onda corta y 324 radiados por la atmósfera devuelta a la Tierra) queda también equilibrada.
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