Factores que controlan la temperatura de la Tierra: _{Energía del sol y gases de efecto invernadero}

El clima comienza con el sol

Aristóteles fue el primero en intentar explicar el tiempo y el clima en su libro Meteorología allá por 350 a. C. (Figura 1). Creía que había cuatro elementos: fuego, aire, agua y tierra, y que interactuaban para producir los fenómenos meteorológicos que experimentamos en la Tierra. Trabajando con estos cuatro elementos, pudo explicar bien algunas cosas, pero no otras. Por ejemplo, escribió correctamente que ^ ~ calor (fuego) podría evaporar el agua y que las nubes se formaron cuando el vapor de agua se condensó en el aire. Pero también escribió, incorrectamente, que caían rayos del cielo cuando "exhalaba" y que las estrellas fugaces quemaban aire.

Muchas de las explicaciones de Aristóteles sobre el clima, aunque creativas, resultaron erróneas por los 2000 años de descubrimientos científicos que le siguieron. Pero acertó en un punto importante: el sol es el factor más importante en el clima de conducción. O, como dijo Aristóteles, “El movimiento del Sol por sí solo es suficiente para explicar el origen del calor y el calor terrestres” ( Meteorología , Libro 1, Parte 3). Enmendaríamos esto ahora para decir que la energía del Sol, más que su movimiento, es responsable del calor y el calor.

De hecho, el Sol es la principal fuente de energía en la superficie de la Tierra. Esta energía es producida por fusión nuclear en el núcleo del Sol, un proceso que calienta el núcleo a aproximadamente 15 millones de grados Celsius. El calor creado dentro del Sol se abre paso a través del interior de la estrella hasta la superficie, donde la temperatura es de apenas 5.800 ° C.Desde la superficie, esta energía se irradia al espacio en forma de luz visible y otros tipos de energía a lo largo del espectro electromagnético (consulte la Figura 2 para ver el espectro de emisión solar completo). Puede obtener más información sobre la luz y el electromagnetismo en nuestro módulo sobre Luz y electromagnetismo .

A medida que esta energía viaja 150 millones de km a través del sistema solar ^ ~ hasta nuestro planeta, su intensidad disminuye. Para entender por qué, imagine una sola bombilla encendida en una gran habitación vacía. Cuando estás justo al lado de la bombilla, es muy brillante: podrías leer un libro. Pero a medida que se aleja de la bombilla en cualquier dirección, la lectura se vuelve cada vez más difícil porque llega menos luz a su ubicación.

p> De hecho, la cantidad de luz que pasa de la bombilla a su globo ocular disminuye más rápido que la velocidad a la que se aleja de la bombilla, y este es el motivo. Cuando te paras cerca de la bombilla, la energía que te llega ^ ~ se extiende alrededor de una esfera cuyo radio es la distancia entre tú y la bombilla. Cuando te mueves el doble de lejos, la luz que te llega ahora ^ ~ se extiende alrededor de una esfera con el doble de radio. Pero debido a que el área de la superficie de una esfera es igual a 4 πr ² , esa luz ahora ^ ~ se extiende sobre un área cuatro veces más grande (consulte la Figura 3 para ver una ilustración de este concepto).

Como resultado, los planetas más cercanos al Sol reciben mucha más radiación solar que los planetas más alejados del sistema solar. La Tierra recibe 342 Watts por metro cuadrado o W / m ² ; esta energía recibida de la radiación solar se llama insolación. Eso es aproximadamente el doble de insolación que Marte y la mitad que Venus (ver Figura 4).

Sin embargo, la Tierra no absorbe toda la radiación solar que nos llega. Aproximadamente el 30% se refleja en superficies de colores claros, como nubes, nieve, hielo y desiertos arenosos. La fracción de luz reflejada se conoce como albedo y también varía entre planetas (ver Figura 4). Mercurio, que prácticamente no tiene atmósfera ni hielo, refleja solo el 10% de la radiación entrante, mientras que Venus, que está envuelto en una espesa neblina de dióxido de carbono, refleja alrededor del 75%.

Si la luz solar entrante y el albedo fueran los únicos factores involucrados, los científicos han calculado que la temperatura promedio de la Tierra sería de -18 ° C (aproximadamente 0 ° F), mostrada como T _predicho (o temperatura predicha) en la Figura 4. Pero claramente ese no es el caso, es demasiado frío para mantener el agua líquida que forma los vastos océanos de la Tierra. De hecho, la temperatura media observada (T _observada en la Figura 4) es de alrededor de 15 ° C (59 ° F), muy por encima de la temperatura de congelación del agua.

Venus tiene una diferencia aún mayor entre la temperatura promedio pronosticada y observada, mientras que las temperaturas pronosticadas y observadas para Mercurio y Marte son casi iguales (Figura 4). Por lo tanto, algunas otras ^ ~ fuerzas deben influir en el clima de la Tierra además del Sol. Y estas ^ ~ fuerzas deben ser mayores en Venus y casi inexistentes en Marte y Mercurio.

El efecto invernadero

La primera persona en reconocer la discrepancia entre la temperatura de la Tierra y la cantidad de energía recibida del Sol fue un matemático francés llamado Joseph Fourier. Había estado estudiando el flujo de calor en el suelo y llegó a la conclusión de que aunque el interior del planeta estaba caliente, no suministraba mucha energía a la superficie. En su mayoría, el Sol proporcionó energía para la superficie, pero eso no fue suficiente para explicar las temperaturas observadas. Además, propuso que la atmósfera podría ayudar a calentar nuestro planeta (Fourier, 1827).

Sin embargo, los científicos aún no habían inventado las herramientas que le permitirían probar su idea cuantitativamente. Entonces, en cambio, usó la analogía de un dispositivo simple llamado heliotermómetro, o una “caja caliente”, para explicar cómo podría funcionar el proceso. Una caja caliente consistía en una caja aislada, pintada de negro por dentro, con una tapa de vidrio que encerraba un termómetro (los hornos solares de hoy son básicamente heliotermómetros modificados).

El dispositivo fue inventado por el físico suizo Horace de Saussure, que quería comprender por qué las temperaturas son más frías en las cimas de las montañas que en los valles. De Saussure pensó que podría usar la temperatura del termómetro para medir la insolación solar, que pensó que podría disminuir con la altitud, resultando en temperaturas más frías. Sin embargo, sus experimentos revelaron que la radiación solar en realidad aumenta a mayores elevaciones, mientras que la temperatura del aire disminuye. (Conozca la explicación correcta del cambio de temperatura a mayor altitud en nuestro módulo La composición de la atmósfera de la Tierra ).

Pero Fourier usó la caja caliente para otro tipo de experimento: un experimento mental. Sabía que la mayor parte de la radiación solar, que alcanza su punto máximo en la parte visible del espectro electromagnético (ver Figura 2), atraviesa el cristal sin impedimentos. Las paredes negras de la caja absorbieron esta energía y se calentaron. Las paredes de la caja luego emitieron energía infrarroja de longitud de onda larga (vista a la derecha del espectro visible en la Figura 2), que en la época de Fourier se conocía como "calor oscuro" porque es invisible para el ojo humano.

En este proceso, la caja caliente convirtió la energía en la parte visible del espectro en energía infrarroja. Pero Fourier también sabía que el vidrio es mayormente opaco a la energía infrarroja: lo bloquea de la misma manera que una pared de ladrillos bloquea la luz visible. Así que a medida que la luz del sol seguía entrando en la caja y las paredes seguían calentándose, el calor se acumulaba en el interior y aumentaba la temperatura. Pensó que podría suceder lo mismo en la atmósfera si también fuera transparente a la luz visible pero bloqueara la radiación infrarroja saliente de la Tierra.

Esta idea luego se llamaría el "efecto invernadero", porque las paredes de vidrio de los invernaderos también calientan el aire en su interior. Sin embargo, tanto los invernaderos como la caja caliente de De Saussure son modelos imperfectos de cómo se comportan realmente los gases de efecto invernadero en la atmósfera terrestre. Esto se debe a que ambos son espacios cerrados que atrapan físicamente el aire caliente, y esto explica gran parte del calentamiento observado (de la misma manera que un automóvil se calienta en un día caluroso, aunque no tiene un techo transparente). En realidad, la atmósfera de la Tierra absorbe la radiación infrarroja saliente, se calienta y la irradia en todas direcciones, incluso hacia la superficie (más sobre esto a continuación).

Aún así, al realizar este experimento mental, Fourier identificó dos características importantes del efecto invernadero. La primera es que la atmósfera es básicamente transparente a la luz visible pero absorbe energía infrarroja. La segunda es que la luz visible se puede transformar en energía infrarroja al ser absorbida y reemitida en la superficie de la Tierra.

Gases de efecto invernadero

Las ideas de Fourier sonaban prometedoras, pero nadie pudo probarlas hasta 1859, más de 30 años después de que Fourier publicara sus ideas, cuando un físico inglés llamado John Tyndall se propuso determinar si la atmósfera realmente absorbe la radiación infrarroja. En el transcurso de dos años, ideó un instrumento que le permitiría medir cuánta energía se perdía después de pasar por un tubo de aire de 1,2 metros de largo (su instrumento se muestra en la Figura 5).

Para sellar el tubo, colocó losas de sal de roca en ambos extremos. ¿Por qué sal de roca? Porque a diferencia del vidrio, la sal es transparente a la radiación infrarroja. Luego colocó una olla con agua hirviendo o aceite caliente en un extremo, lo que produjo una fuente de radiación infrarroja con una temperatura constante y, por lo tanto, una longitud de onda constante. Midió cuánta energía salía por el otro extremo detectando cambios muy pequeños en la temperatura usando un sensor casero.

Cuando Tyndall llenó el tubo con aire seco, oxígeno puro o nitrógeno puro, no detectó ningún cambio en la cantidad de energía que pasaba por el tubo. Probó todos los gases que pudo conseguir, y cuando finalmente añadió gas etileno (C ₂ H ₄ ), el gas que emite la fruta cuando madura, vio que gran parte de la radiación se absorbió entre la entrada y la salida del tubo. Esto lo sorprendió. Escribió:

El gas era invisible, no se veía nada en el aire, pero la aguja [del detector] inmediatamente declaró su presencia ... Aquellos que, como yo, han aprendido a considerar los gases transparentes como casi perfectamente diatermanos [permeables al calor ], probablemente compartirá el asombro con el que presencié el efecto anterior. (Tyndall, 1861)

Continuó con sus experimentos y documentó la absorción de energía infrarroja cuando el tubo se llenaba con varios otros productos químicos. Resulta que Tyndall acababa de descubrir los gases de efecto invernadero, los gases que absorben la radiación infrarroja en la atmósfera, refinando la hipótesis de Fourier. Ahora sabemos que los gases de efecto invernadero más importantes son el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano y el óxido nitroso, todos los cuales absorben energía en longitudes de onda específicas en la región infrarroja, que se muestra en la Figura 6.

Cuando reconoció lo poderosos que eran estos gases de efecto invernadero, Tyndall especuló que incluso pequeños cambios en la concentración de estos gases en la atmósfera podrían ejercer una fuerte influencia en el clima de la Tierra:

Por lo tanto, no es necesario suponer alteraciones en la densidad y altura de la atmósfera para tener en cuenta las diferentes cantidades de calor que se conservan en la Tierra en diferentes momentos; un ligero cambio en sus componentes variables ^ ~ sería suficiente para esto. De hecho, tales cambios pueden haber producido todas las ^ ~ mutaciones del clima que revelan las investigaciones de los geólogos.

Tyndall resultó tener razón. Los pequeños cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero alteran drásticamente el clima. Sin embargo, es importante tener en cuenta que existe una diferencia clave entre el vapor de agua y el resto de gases de efecto invernadero.

Los procesos biológicos y físicos (incluida la actividad humana) pueden producir y consumir gases de efecto invernadero como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso, modificando sus concentraciones en la atmósfera y provocando así un cambio climático. Por el contrario, la concentración de vapor de agua en la atmósfera está controlada por la temperatura del planeta: cuando la atmósfera es más cálida, puede (y lo hace) contener más vapor de agua, y lo contrario es el caso cuando hace frío. Por tanto, aunque el vapor de agua es el gas de efecto invernadero más potente, no provoca cambios climáticos. Responde a estos cambios y los amplifica.

Otros componentes atmosféricos

En comparación con gases como el nitrógeno y el oxígeno, que juntos constituyen el 99% de la atmósfera, los gases de efecto invernadero constituyen solo una pequeña fracción del aire (consulte nuestro módulo Composición de la atmósfera de la Tierra para obtener más información). Hoy en día, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es de aproximadamente 400 partes por millón y la concentración de óxido nitroso es de aproximadamente 325 partes por mil millones. Además de los gases de efecto invernadero, otros componentes menores de la atmósfera también afectan el clima, como los aerosoles.

Los aerosoles son partículas diminutas que flotan en el aire y, por lo general, tienen el efecto opuesto a los gases de efecto invernadero: a medida que aumenta la concentración de aerosoles, la temperatura de la superficie disminuye. Eso se debe a que los aerosoles generalmente reflejan la luz solar entrante, lo que aumenta el albedo de la Tierra. Sin embargo, en algunos casos, las partículas de color oscuro, como el hollín, pueden absorber la luz de manera más eficiente y provocar un calentamiento.

Los aerosoles pueden incluir polvo y gotitas microscópicas de líquidos como el ácido sulfúrico, que se expulsan a la atmósfera después de grandes erupciones volcánicas. Estas erupciones demuestran el efecto de los aerosoles en el clima; las temperaturas medias mundiales descendieron brevemente después de cada una de las principales erupciones del siglo XX, como se muestra en la Figura 7, incluida la erupción del monte Pinatubo en 1991.

Sin embargo, los aerosoles solo permanecen en el aire durante unos años y no se distribuyen uniformemente como los gases de efecto invernadero. Siempre hay algunos flotando en la atmósfera, porque los procesos naturales los producen continuamente. Pero las ráfagas de aerosoles de grandes erupciones solo afectan el clima temporalmente como se muestra en la Figura 7, donde puede ver que la temperatura desciende bruscamente después de erupciones volcánicas muy grandes y luego regresa al promedio anterior solo unos años después.

El primer modelo climático

Una forma de determinar si ha tenido en cuenta todos los factores que influyen en un sistema es construir un modelo que los combine y ver si coincide con las observaciones (consulte nuestro módulo Modelado en la investigación científica para obtener más información). El primer científico que tomó los resultados de Fourier y Tyndall y los puso en un modelo climático cuantitativo fue el químico sueco Svante Arrhenius, quien quizás sea más conocido por su trabajo sobre las velocidades de las reacciones químicas.

Arrhenius se propuso dar cuenta de toda la energía que entra y sale del sistema terrestre, una especie de balance energético (Arrhenius, 1896). Eso requería contar todas las fuentes de energía, las formas en que se podía perder la energía (conocidas como sumideros de energía) y las formas en que se podía transferir la energía (conocidas como flujos de energía). Arrhenius no incluyó una ilustración en su artículo de 1896, pero es útil aquí poner sus ideas en un diagrama, que se muestra en la Figura 8.

En el lado entrante de la ecuación de Arrhenius estaba la radiación solar (flechas negras delgadas en la Figura 8). En el lado saliente estaba la radiación infrarroja de onda larga emitida por la superficie de la Tierra (flecha roja gruesa), más la luz solar reflejada (flechas grises delgadas). Sin embargo, Arrhenius sabía que también tenía que tener en cuenta los gases de efecto invernadero en la atmósfera, que según Tyndall interferían con la radiación saliente.

Arrhenius razonó que si la atmósfera estaba absorbiendo radiación infrarroja, también se estaba calentando. Por lo tanto, agregó otro nivel de complejidad a su modelo: una atmósfera que podría absorber e irradiar calor al igual que la superficie de la Tierra. Por simplicidad, trató toda la atmósfera como una capa. La atmósfera absorbió la radiación saliente emitida por la superficie (flecha roja gruesa) y luego emitió su propia radiación tanto hacia el espacio como hacia la Tierra (flechas rojas delgadas).

Este fue un descubrimiento importante, porque mostró que la atmósfera no bloquea la radiación saliente como había propuesto Fourier. Lo absorbió. Luego, como la caja caliente, se calentó y emitió energía infrarroja. La atmósfera emite esta energía en todas direcciones, incluso hacia la tierra. Este flujo de energía de la atmósfera a la superficie representa otra fuente importante de calor a la superficie de la Tierra y explica el mecanismo real detrás del efecto invernadero.

La zona Ricitos de Oro y la búsqueda de vida extraterrestre

En 2009, la NASA lanzó el Telescopio Espacial Kepler con el objetivo de encontrar otros planetas potencialmente habitables en nuestra galaxia. Hasta ahora, los científicos han encontrado y confirmado más de 1.000 de los llamados exoplanetas. De estos, doce se encuentran dentro de la zona Ricitos de Oro, donde el agua puede existir en forma líquida.

Todavía no sabemos si podrían albergar vida; por el momento, son solo objetos lejanos cuya presencia es apenas detectable. Pero, por lo que hemos aprendido sobre nuestro propio ^ ~ sistema solar, sabemos que no es suficiente saber qué tan lejos se encuentran estos exoplanetas de sus estrellas. El efecto invernadero de la Tierra ayuda a que el planeta sea más habitable. Pero en Venus, el dióxido de carbono constituye el 96% de la atmósfera y el efecto invernadero calienta el planeta 500 grados Celsius por encima de su temperatura prevista (ver Figura 4), haciéndolo más caliente que Mercurio. Por lo tanto, mientras que los científicos han comenzado la búsqueda de vida extraterrestre buscando planetas que estén a la distancia correcta de su estrella para tener agua líquida, deben considerar la composición de las atmósferas de esos planetas y usar su comprensión del efecto invernadero que los investigadores descubierto aquí en la Tierra.