El balance de radiación de la Tierra y el efecto invernadero

Enciclopedia del Clima ESPERE.
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
Enciclopedia del Clima ESPERE - menu
Dział: Troposfera. Más.
Baja Atmósfera: Más - menu



El sistema climático se rige por la energía de la radiación solar. Sólo una cierta fracción de esta energía alcanza la superficie de la Tierra y la calienta. Otras fracciones son reflejadas o absorbidas por la atmósfera. Pero, ¿cómo trabaja exactamente el sistema de radiación?

a) Con respecto a la radiación podemos dividir el sistema de la Tierra en tres partes:
1) el espacio por encima de la atmósfera
2) la atmósfera
3) la superficie terrestre
Si suponemos un sistema con un intercambio de calor rápido, podremos decir que en todas las partes la cantidad de energía que se recibe es la misma que la que sale. De no ser así, una parte ganaría o perdería constantemente energía y sería cada vez más y más caliente o más y más fría. Pero esto no es lo que ocurre a largo plazo, hay un equilibrio en todas las partes. 
b) En este sistema, los gases invernadero NO producen energía, simplemente ayudan a establecer un equilibrio en el que la capa superficial de la atmósfera más caliente de lo que sería.

1. El balance de la radiación global como se publica en IPCC TAR Cap. 1.2.1
En las siguientes secciones intentaremos entender los diferentes tipos de transportes de energía en el sistema atmosférico y la superficie de la Tierra.

La realidad es algo más complicada ya que los oceanos reaccionan muy lentamente a los cambios de temperatura. Mientras que la atmósfera se calienta rápidamente, los océanos absorben el calor lentamente y no se calientan inmediatamente. Por lo tanto, por un cierto tiempo la Tierra puede estar en desequilibrio, antes de que los océanos alcancen el equilibrio. Así pues, los balances de radiación como los que se muestran en la imagen de encima no son exactos, tienen un margen de error del 10 ó 20%. Sin embargo, en las siguientes secciones asumiremos el equilibrio.

El papel de los gases invernadero

El papel de los gases de efecto invernadero es como el de un jersey en los días fríos del invierno. Si no lleváramos ropa en invierno, nuestro cuerpo se enfriaría y congelaría. El jersey no hace que el entorno sea más caliente, ni hace que nuestro cuerpo produzca más energía, ni tampoco produce más energía el mismo. Lo que hace el jersey es simplemente reflejar una parte de la energía que nuestro cuerpo emite, y se crea por tanto una capa caliente entre la piel y el jersey. Esto es exactamente lo que los gases invernadero hacen. Un aumento del efecto invernadero significa que se acumula más calor encima de la superficie terrestre antes de ser emitido al espacio. Esto no significa que haya más radiación que alcance la superficie terrestre.

2. Los gases invernadero mantienen caliente la capa fronteriza al igual que la ropa mantiene caliente nuestro cuerpo en invierno.
adaptado de: fashion 3sat online

Entendiendo el balance de energía

Medimos la energía transferida a o emitida desde una parte del sistema en W / m2. En la imagen te mostramos como en cada parte del sistema entra la misma cantidad de energía que sale (simplificamos prescindiendo del efecto retardante de los océanos):

342 W / m2 llegan de la radiación solar a la parte externa de la atmósfera. 107 se reflejan directamente desde las nubes y la superficie terrestre. La fracción de radiación solar que se refleja directamente al espacio sin ninguna interacción se llama albedo de la Tierra y es aproximadamente del 30%.

Definición de albedo: Es el ratio entre la radiación reflejada por un cuerpo y la que recibe. El valor del albedo va de 0 (cuerpo negro) a 1 (reflector perfecto).

3. Balance de energía separado del espacio encima de la atmósfera, la atmósfera y la superficie terrestre. Todo está en equilibrio. La radiación solar aparece en amarillo, la radiación infrarroja de onda larga en rojo. Una parte de la energía se necesita para la evaporación del agua y la transferancia térmica. Hay que tener en cuenta que no puede alcanzar la Tierra más energía que la que el sol proporciona. Los 492 W / m2 representan la misma energía en dos momentos distintos, primero proviniente del sol y luego después de ser emitidos por la superficie terrestre como reemisión de los gases de efecto invernadero. Esto permite separar ambos procesos.
imagen: Elmar Uherek, datos de IPCC TAR
¡Pincha para ampliar! (90 K)

El albedo de la Tierra es aproximadamente 0,3. Los mejores reflectores son las nubes y los bloques de hielo polar. Los 235 W / m2 interaccionan con la atmósfera y con la superficie terrestre y regresan al espacio como radiación de onda larga.

Al hablar del balance de la atmósfera tenemos que considerar que la atmósfera puede emitir su energía al espacio o enviarla de vuelta a la superficie terrestre. Esta es la radiacción que vuelve a la Tierra por los gases invernadero y que lleva a que la superficie terrestre absorba más energía (492 W / m2) que la que el sol proporciona.

4. Una vista reducida del balance de radiación de la
Tierra (excluida la reflexión) e ilustración de la ventana atmosférica.
imagen: Elmar Uherek

La ventana atmósferica

Sólo 40 W / m2 se emiten diractamente como radiación de onda larga desde la superficie de la Tierra al espacio.

Esto ocurre porque los gases invernadero no absorben todas las longitudes de onda. Hay algunos huecos en el espectro de absorción superpuesto del agua (que absorbe aproximadamente el 60%), el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso, el ozono y otros gases de efecto invernadero. En particular, los huecos más importantes en la absorción del agua y el dióxido de carbono son lo que se llama la ventana atmosférica. Aquí, la radiación infrarroja puede desaparecer como através de una ventana en el tejado de un invernadero.

greenhouse

5. El modelo de un invernadero
ilustración: Elmar Uherek

Realmente la analogía de los gases invernadero y el cristal de un invernadero no es perfecta. Los gases interaccionan con la radiación mientras que el cristal es una barrera de un material sólido que impide la convección por lo que el calor se retiene.

transmission in the atmosphere

6. La interacción de las ondas electromagnéticas y la atmósfera (¿cuánta radiación y qué longitudes de onda atraviesan la atmósfera?) conduce al hecho de que algunas partes de la atmósfera sean opacas. En la imagen de encima estas partes aparecen en marrón. Son de especial interés la radiación UV cercana (1), la radiación visible (2) y la radiación infrarroja cercana (3).
El ozono absorbe en el rango (1) y hace la atmósfera opaca para la radiacción peligrosa UV-B. La radiación visible(2) puede pasar hasta el suelo, iluminando durante el día y calentando la superficie terrestre. En el rango (3) la radiación infrarroja emitida desde la Tierra (imagen de la derecha) puede volver al espacio pero sólo para algunas partes que no están bloqueadas. El agua y el dióxido de carbono principalmente hacen algunas partes opacas para la radiación infrarroja de la Tierra (efecto invernadero). Si otros gases (O3, CH4, N2O) absorben en el resto de la "ventana atmosférica" (ver el espectro de la derecha),es que son gases invernadero muy eficientes.
Dibujo de NASA / IPAC.
¡Pincha para ampliar! (80 K)

7. Sólo una parte del espectro teórico de la Tierra (la llamada radiación de los cuerpos negros aparece en rojo) se emite realmente al espacio. Esta fracción, que aparece en azul, se llama ventana atmosférica. El resto es absorbido principalmente por el agua y el dióxido de carbono.
Imagen adaptada de Hamburger Bildungsserver
¡Pincha para ampliar! (70 KB)

Sobre esta página:

autor: Dr. Elmar Uherek - MPI for chemistry, Mainz
supervisor científico: Dr. Benedikt Steil - MPI for chemistry, Mainz 16-05-2004
corrección pedagógica: Michael Seesing - Uni Duisburg - 02-07-2003
última actualización: 17-06-2004

Last modified: Friday, 2 November 2018, 3:04 PM