El clima en la Tierra

Vamos a empezar por fin con algo de contenido.

La fuente de energía (calor) de nuestro sistema climático procede fundamentalmente del sol. De la primera ley de la termodinámica (conservación de la energía) se deriva el principio de equilibrio energético según el cual, cuando la Tierra recibe la energía solar, debe calentarse hasta emitir la misma energía que recibe. O, lo que es lo mismo, el equilibrio entre energía absorbida e irradiada determina la temperatura promedio del planeta:

Sabiendo que la energía solar que llega a la Tierra es de 1.366 W/m2 y teniendo en cuenta su geometría esférica, es fácil calcular mediante la Ley de Stefan-Boltzmann que la temperatura de equilibrio de la Tierra sería de unos 5 ºC.

A esto hay que restarle el albedo, que es el efecto espejo de la Tierra:

Las superficies claras reflejan la energía solar impidiendo que penetre en la tierra, mientras que las superficies oscuras tienen el efecto contrario. La Tierra refleja un 30 % de la energía solar recibida (fundamentalmente por las nubes y aerosoles (22%) y por el hielo polar). Añadiendo este factor al cálculo anterior, obtenemos una gélida temperatura de equilibrio de -18 ºC.

Los gases de efecto invernadero explican los 33 ºC adicionales que faltan para alcanzar la temperatura media real de la Tierra: 15 ºC. De hecho, recibimos más energía del efecto invernadero que directamente del sol. Los gases de efecto invernadero son como una manta que se pone alrededor de la Tierra para mantener el calor. Pero una manta muy peculiar, porque impide (dificulta, más bien) que se escape el calor emitido por la Tierra, pero permite que entre el calor recibido del sol. Esto se debe a que los gases de invernadero son sensibles únicamente a la radiación (energía) de onda larga. Como el sol está más caliente que la Tierra, la energía que recibimos del sol es de onda corta (luz visible) y atraviesa los gases de invernadero como si fueran transparentes, mientras que la Tierra, al estar más fría, emite una energía de onda larga (radiación infrarroja térmica, no perceptible con los ojos) que es absorbida y re-radiada por los gases de invernadero (de nuevo, manteniendo ese equilibrio entre radiación absorbida e irradiada).

Aunque la estructura pueda parecer similar a un invernadero de plantas, el principio físico por el que calientan ambos no tiene nada que ver. Un invernadero de plantas no calienta por re-radiación de energía por parte de los plásticos, puesto que el plástico no tiene una opacidad especial a la radiación infrarroja. Un invernadero de plantas calienta porque retiene dentro un aire calentado que en condiciones normales ascendería dejando su lugar al aire frío. Es decir, el invernadero de plantas calienta porque impide la convección, que es el sistema de refrigeración más eficiente.

El cálculo del efecto invernadero se hace también vía Stefan-Boltzmann a partir de los espectros de absorción de cada uno de los gases implicados (ver Tabla 1 de la NOAA o Tabla 6.2 del IPCC 2001).

Así pues, la temperatura media de la Tierra viene determinada por una ecuación muy simple:

Temperatura = sol – albedo + efecto invernadero

O, en términos más científicos (modelo simple de balance radiativo de Tierra puntual con atmósfera):

σTs4 = S /(1 – 0,5λ)

Donde

σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5,67·10-8).

S = (1-a)TSI/4 = 240 W/m2.
*Donde, a es el albedo (0,3, o sea, un 30%) y TSI la constante solar (1370 W/m2), de modo que S = 240 W/m2.

λ es la emisividad de la atmósfera (0,769), que viene a ser la intensidad del efecto invernadero (de 0 a 1).

La escala (temporal) climática típica son 30 años. Es un plazo que permite estar seguros de que la tendencia es climática (forzada externamente) y no va asociada a la variabilidad interna (meteorología). Aunque 20 años también son significativos. En escalas de décadas y menores existen grandes fluctuaciones asociadas a la dinámica de fluidos (fundamentalmente oceánica pero también atmosférica) que distribuye la energía del sistema climático. Entre estos flujos está la anomalía cuasicíclica de El Niño en el Océano Pacífico, que tiene una gran influencia en la variabilidad de temperaturas a corto plazo (3-7 años) pero que no muestra ninguna tendencia. La dinámica de fluidos asociada a la meteorología es caótica(supone un problema de condiciones iniciales) y por ello difícilmente predecible. A escala climática, la redistribución de energía de la dinámica de fluidos no tiene tanta relevancia (la climatología es un problema de condiciones de frontera) y por ello más fácilmente predecible.


*Una pequeña nota en cuanto al sol: además de la propia actividad solar, influye la inclinación orbital con respecto al sol. De hecho, la diferencia entre el verano y el invierno se da por esa inclinación, y no por la distancia al sol. Esa inclinación no es constante en escalas geológicas; por ejemplo se sabe que las últimas glaciaciones se desencadenaron a raíz de una lenta pero inexorable variación en la inclinación del eje de la Tierra de tan sólo 2,4º que producía mayor insolación en verano. Esa variación orbital es, por sí misma, insuficiente para explicar una glaciación, lo que sucede es que el sistema climático amplifica toda variación inicial de temperaturas mediante mecanismos de realimentación (feedbacks). Esta inclinación venía provocando un enfriamiento a largo plazo desde hace 7.000 años, cuando alcanzó la insolación máxima. En la actualidad sin embargo los gases de invernadero tienen más fuerza. Este forzamiento orbital es muy lento, y llegaría a su máximo forzamiento frío dentro de unos 50.000 años, es decir, el tiempo que lleva existiendo nuestra civilización actual multiplicado por 10; una amenaza enormemente lejana, en definitiva. Es más, la liberación de 1.000 Gt de carbono (de las cuales llevamos ya emtidas unas unas 400 Gt) impediría la próxima glaciación, posponiéndola hasta la siguiente variación orbital (unos 130.000 años), y la emisión de 5.000 Gt la evitaría durante al menos medio millón de años (Archer & Ganopolski 2005).


Referencias:

  1. Raymond T. Pierrehumbert 2011. Infrarred radiation and planetary temperature. Physics Today (American Institue of Physics), January 2011
  2. Petty, Grant W. (2006). “6.4.3 Simple Radiative Models of the Atmosphere”. A First Course in Atmospheric Radiation (2nd ed.).
  3. F. W. Taylor (2005). Chapter 2 Solar radiation and the energy budget of the Earth. En Elementary Climate Physics. Oxford University Press.
  4. Wallace & Hobbs (2006). Chapter 4 Radiative Transfer. En Atmospheric Science. An introductory survey. Academic Press. Elsevier.
  5. Bohren, Craig F.; Clothiaux, Eugene E. (2006). “1.6 Emissivity and Global Warming”. Fundamentals of Atmospheric Radiation. Chichester: John Wiley & Sons. pp. 31–41. ISBN 3-527-40503-8.
  6. Madison, Wisconsin: Sundog Pub. pp. 139–143. ISBN 0-9729033-1-3.
    Chapter 2, The global energy balance, UT course Physical Climatology
  7. Peixóto & Oort (1984). Physics of climate. Rev. Mod. Phys. 56, 365–429 (1984)
  8. G. Schmidt (2007). Learning from a simple model. RealClimate
  9. Equilibrio Térmico de la Tierra (Wikipedia)
  10. Hulburt, E. O. (1931). The Temperature of the Lower Atmosphere of the Earth. Physical Review, vol. 38, Issue 10, pp. 1876-1890
  11. Sellers, William D. (1968). A Global Climatic Model Based on the Energy Balance of the Earth–Atmosphere System. Journal of Applied Meteorology, Vol. 8, pp. 392-400.

Evolución histórica:
http://www.aip.org/history/climate/Radmath.htm
http://www.aip.org/history/climate/simple.htm

6 Responses to “El clima en la Tierra”

  1. [...] Hemos visto que el efecto invernadero es un elemento clave en la determinación de la temperatura del planeta. También hemos vistoque el efecto invernadero ha aumentado como consecuencia del aumento de los gases de efecto invernadero y que el aumento más importante ha sido el del CO2, que ha supuesto un 62 % del calentamiento total derivado del aumento del efecto invernadero.  Antes de entrar a calcular cuánto calienta ese aumento del efecto invernadero (y así en parte justificar de dónde sale ese 62%), y aunque ya lo comenté de pasada en el anterior artículo, vamos a dejar claro que absolutamente TODO el aumento de CO2 (principal agente del calentamiento y que irá ganando aún mayor peso en el futuro) ha sido causado por las emisiones humanas de dicho gas (aunque el argumento central es también aplicable al metano, p.ej.). [...]

  2. [...] (tropopausa). Ese equilibrio (o balance) puede alterarse por modificaciones en los factores quedeterminan la temperatura terrestre promedio: sol, albedo o efecto invernadero. Esta perturbación sobre el equilibrio energético se [...]

  3. [...] de la emisión de aerosoles a la atmósfera, que producen un efecto “sombra” que aumenta el albedo(la cantidad de energía solar que no consigue entrar en el sistema climático porque es reflejada [...]

  4. [...] esas emisiones en cuanto a magnitud, velocidad y distribución espacial (ver las entradas sobre el funcionamiento del clima global, el reciente aumento del efecto invernadero, el conocimiento de que la totalidad del aumento de [...]

  5. [...] Reduce el albedo del planeta, actuando así como realimentación positiva del calentamiento (feedback [...]

  6. [...] pero sin embargo absorben y re-radian la energía infrarroja emitida por la tierra (más info aquí o aquí). De hecho, el calentamiento global se predijo mucho antes de que se conociera ninguna [...]

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