" No heredamos la Tierra de nuestros padres, sino que la hemos pedido prestada a nuestros hijos"

Chief Seattle (1788-1866)

lunes, 28 de junio de 2010

Balance Energético De La Tierra. Efecto Invernadero

Haciendo referencia al artículo recientemente publicado por este blog acerca de por qué el calentamiento provoca más lluvias, hoy profundizaremos un poco más en este tema. No voy a entrar fórmulas imposibles si no que haré uso de cálculos sencillos que nos ayudarán a visualizar por qué y de qué manera la Tierra alcanza su equilibrio energético.
Como veíamos en artículos anteriores el ciclo hidrológico constituye una parte esencial dentro de la compleja maquinaria de ajuste energético que la Tierra poner en marcha hasta alcanzar un equilibrio. Existen mecanismos que redistribuyen el exceso de calor de las zonas ecuatoriales, expuestas a una mayor grado de insolación, a las latitudes altas donde tienen déficit, por medio de grandes corrientes de submarinas, vientos, borrascas, etc., de tal manera que el planeta en sí, se mantiene en equilibrio.
El Sol, nuestra principal fuente de energía, emite una cantidad tremenda de energía que lanza al espacio en forma de radiación electromagnética, y de la que tan sólo una fracción es interceptada por la Tierra. Lo suficiente para calentarla y alimentar el motor de nuestro sistema climático.
Debido a nuestra localización respecto al Sol, un total de 1.396 vatios/m2 alcanza nuestro planeta. El haz de radiación solar impacta en nuestra superficie, una esfera cuyo área es cuatro veces mayor que un disco plano, con lo cual la radiación solar entrante inicial se reduce a 342w/ m2(más o menos dependiendo del grado de incidencia del sol), es decir, a la cuarta parte.
El balance energético terrestre ha de ser cero ya que si entrase más energía de la que sale, la Tierra se calentaría indefinidamente como un horno. Por un momento imaginaos que la Tierra, en sus 4.500 millones años de existencia, hubiese aumentado un grado de temperatura cada cien años!. Por lo tanto la energía que entra ha de igualar a la energía que sale o lo que es lo mismo Energía entra-Energía sale = 0.
De la radicación solar entrante, parte se refleja (efecto albedo) y parte es absorbida y posteriormente es reemitida. Sabiendo esto, estamos en condiciones de calcular teóricamente la temperatura de la Tierra.

Energía absorbida = Energía emitida
Radiación solar entrante por unidad de área x Área del planeta sobre el que incide x fracción absorbida por la superficie = Energía emitida por unidad de área x superficie total del planeta.
Es decir:
(1,368 W/m2)(.RTierra)2 x (1-Albedo)= (σ.T4) x (4..(RTierra)2) ; donde σ es la cte de Boltzman 5.7 x 10-8 vatios/m2 K4) y es el radio de la Tierra.
(1,368 W/m2)(1-Albedo)=4σT4 ,Si consideramos un efecto albedo de 31% y despejamos la temperatura
T4= 1.368 W/m2(1-0.31)/4 σ
T4= 255 k

La temperatura media planetaria es entonces de 255K o lo que es lo mismo -19 grados centígrados. Un momento, ésta no es la temperatura media de la Tierra, ¿verdad? La temperatura media es de 15 C. ¿Entonces, por qué esa diferencia? La respuesta es el famoso y necesario efecto invernadero natural, sin el cual la vida en la Tierra seria inviable.
Fijaos bien en esta imagen de la Figura 1. Teniendo en cuenta la cantidad entrante de radiación solar, la gráfica explica el balance real energético global.



Figura 1 Kiehl and Trenberth (1997) global average energy budget of the earth, IPCC 1997.


Ahora vamos a ir paso por paso. Para facilitar los cálculos digamos que la radiación entrante de 342 W/m2 citados en la figura 1 equivalen a 100 unidades de energía (o sea representa el 100%) como se muestra abajo en la Figura 2.
Supongamos que las cantidades de energía que la tierra almacena o absorba son cantidades positivas y todo lo que emita o pierda sea negativo.
De las 100 unidades de energía entrantes, parte es absorbida por las nubes (+3 o 3%); parte reflejada por las nubes hacia el espacio (-21); absorbida por el ozono de la atmósfera (+3); absorbida por gases y polvo atmosférico (+18); reflejada y dispersada por la atmósfera (-7); reflejada por las nubes y atmósfera hacia la Tierra (+20);energía que llega directamente a Tierra (+25) y, por último, que la superficie terrestre refleja al espacio (-3).
Sumando positivos 3+3+18+25+20=+69 (el 69% de la energía es absorbida)
Sumando Negativos -21-7-3= -31 (el 31% reflejado de vuelta al espacio o Efecto albedo)
Total que de la radiación total que llegó inicialmente (100 unidades), el 21% es reflejado al espacio (albedo). Del 69% restante, el 21 % se ha quedado atrapado en la atmósfera calentándola y el otro 45% llegó a la superficie terrestre (ver Figura 2).


Figura 2 www.bioygeo.info/Images/Balance_energetico.jpg
(ver animación http://www.bioygeo.info/Animaciones/Balance_energetico_atmosfera.swf).

Pero la Tierra ha de deshacerse de ello, enfriarse, devolviendo la misma cantidad al espacio. De lo contrario se calentará, y sabemos que debe mantener un balance total igual a cero. Por tanto si entran 100 unidades de energía han de salir otras 100.
La transmisión de calor puede hacerse de varias maneras. En este proceso la Tierra libera energía en forma de calor latente -19 unidades (calor liberado cuando una sustancia cambia de estado); -4 unidades de energía por conveccion térmica; -110 unidades por radiación. Y todo esto lo absorbe la atmósfera. Aunque la Tierra también emite directamente el 8% (-8 unidades) directamente al espacio.
Y es aquí es donde viene lo interesante. La atmósfera contiene ciertos gases (CO2, vapor de agua, metano, oxido de nitrato) que debido a sus características químicas absorben radiación emitida por el suelo (el cual debido a su temperatura emite dentro de una zona infrarroja del espectro electromagnético) y la reemiten de vuelta a la Tierra (ej el CO2). O sea de los 110 que había absorbido, 96 unidades las reemite hacia la Tierra. Dependiendo del gas que se trate, unos son opacos a radiaciones de cierta longitud de onda y otras no.
Este es el efecto invernadero propiamente dicho!. La atmósfera no libera todo el calor que recibe si no que sus gases absorben parte de la energía dentro de la región del infrarrojo y nos la devuelven!. Como consecuencia la Tierra se calienta lentamente, tanto más, cuanto más aumente la concentración de estos gases absorbentes. Este es el fundamento del actual “calentamiento global antropogénico”. Nada que ver con el efecto invernadero natural que nos mantenía calientes (aunque no demasiado) y permitía que la Tierra se las arreglase para regular ese exceso de una manera controlada. También hay que tener en cuenta que algunos gases permanecen más tiempo en la atmósfera que otros y son, por tanto, más nocivos (ej: metano).
El efecto invernadero es el que hace por ejemplo en invierno, en los días nublados no hiele. Las nubes absorben y reemiten. A cielo descubierto, todo el calor emitido por el suelo se va a las capas altas de la atmósfera y la Tierra se enfría muy rápido.
Bueno seguimos con el esquema y con los cálculos, que nadie se pierda. Quedamos es que la Tierra se había librado de -19-4-110+96 y -8 que. Esto hace un total de -66 unidades, más -3 que irradian las moléculas de ozono. Total que se liberan -3-66=-69 aha! Exactamente lo que había entrado si sustraemos el efecto albedo del total (100-31= +69).
Si en vez de usar porcentajes usamos cantidades reales como en la figura 1, al final el cálculo es el mismo. Energía entrante 342 vatios/m2 = Energía Saliente (107 vatios/ m2 (Albedo o 21%)+235 vatios/ m2 (infrarrojo 69%)).
Y, esto queridos lectores, no son noticias frescas. Utilizando las leyes de la física algunos científicos como el sueco Svante Arrhenius (1859-1927), descubrió ya en 1896 que existía una relación entre las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico y temperatura, atreviéndose a afirmar que los combustibles fósiles podrían dar lugar o acelerar el calentamiento de la Tierra.
También reveló que el hecho de que la temperatura media superficial de la tierra fuese de 15oC era debido a la capacidad de absorción de la radiación Infrarroja del vapor de agua y el Dióxido de Carbono (como vimos efecto invernadero natural). Arrhenius fué aún más lejos argumentando que si la concentración de CO2 atmosférico se duplicaba, provocaría un aumento de temperatura de 5oC. Perfectamente concordante con las proyecciones actuales!!.
Ahora volvamos al tema de por qué el calentamiento global provoca más lluvias, y lo veréis más claro. Si la temperatura aumenta, la Tierra emite más energía (E=KT4, por cada grado más, la troposfera pierde muchísima más energía de onda larga). La atmósfera nos devuelve más de 96 unidades de energía de vuelta y para compensar la Tierra ha de liberar más energía en forma de calor latente (-19) entre otras, aumentando la evapotranspiracion, nubes y por tanto las precipitaciones!!.
Claro que esto pasará al principio, ya que con el tiempo ya no habrá mucha humedad que evaporar en las zonas continentales. De acuerdo con los modelos climáticos, la distribución de las precipitaciones como consecuencia del calentamiento global, es algo bastante incierto. No entraremos en este tema hoy.
Parte de este exceso de CO2 en este momento lo están absorbiendo los océanos, esos gigantescos almacenes de gran capacidad calorífica. Pero estos tienen un límite. Aguas más calidas disolverán menos CO2 y se acidifican con el tiempo. La acidificación esta actualmente ocurriendo más rápido que en ningún otro momento durante los últimos cientos de miles de años. ¿Cuál es el umbral por encima del cual los océanos dirán: ya no puedo más? Bueno, en ello estamos!

SCC, 25 de Junio de 2010

Bibliografía
Figura 1 Kiehl and Trenberth (1997) global average energy budget of the earth. IPCC, 1997 - R.T.Watson, M.C.Zinyowera, R.H.Moss (Eds). Cambridge University Press, UK. pp 517.
Figura 2
http://www.bioygeo.info/
Animación
http://www.bioygeo.info/Animaciones/Balance_energetico_atmosfera.swf).

1 comentario:

  1. Perdonad por los exponenciales y el simbolo 'Pi', el diseño del blog no acepta los simbolos bien. Por cierto, la temperatura esta elevada a la cuarta potencia

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