Radiación balanceada, Tierra equilibrada

Al más puro estilo de la serie Chernobyl, hoy en MeteochileBlog hablaremos sobre radiación. Pero esta vez, no nos centraremos en la radiación que emite una planta nuclear que estalló, ni tampoco en la que volvió superhéroes a muchos de los personajes de Marvel-Comics. La radiación de la que estamos hablando es una que tú y todos nosotros recibimos cada día, puesto que proviene del Sol.

Constantemente la superficie de la tierra está recibiendo energía proveniente de nuestra principal estrella, energía que tiene un papel fundamental en las diferencias de los climas de nuestro planeta. Si bien esta energía es constante, lo que llega finalmente a la superficie dependerá en gran medida de lo que ocurra en la atmósfera. A todos estos procesos que se producen en la atmósfera, sumado a la radiación que la Tierra emite al espacio para mantener un equilibrio se le conoce como Balance Radiativo.

La palabra radiación inmediatamente nos hace pensar en muchas cosas. Por ejemplo, la fisión de plutonio en una planta nuclear emite cantidades enormes de energía radioactiva que se aprovecha como energía eléctrica para el consumo humano. O nuestro Homero Simpson queriendo “destruir la humanidad” empapado de radiación también es un ejemplo, así como también, el Sol y su intenso brillo diario, del cual debemos protegernos especialmente en verano por su implacable intensidad. 

El Sol emite una gran cantidad de energía, tanto así que abarca los rangos conocidos como espectro ultravioleta (si, ese que te quema la piel) y el infrarrojo (el que te genera la sensación de calor al ponerte al sol). Pero si queremos hablar de balance tenemos que, también, hablar de lo que emite la Tierra.

Aunque no lo creas, nuestra superficie también está constantemente emitiendo radiación. La diferencia más grande es, por supuesto, que mientras el Sol emite a una temperatura cercana de 5.500°C, nuestro planeta lo hace, en promedio, a solo 15°C. Esto hace que la superficie de la Tierra no brille como el Sol, sino más bien, emite el tipo de radiación invisible a nuestros ojos: la infrarroja. 

Toda esta radiación se emite en forma de ondas que, de hecho, poseen diferentes longitudes de onda o tamaños de la onda. Es así como los científicos han descubierto todo el espectro de radiación, que incluye tanto la solar (llamada también de onda corta) y la que emite la Tierra (onda larga). 

De seguro habrán notado alguna vez de que la naturaleza siempre se inclina a un equilibrio y es eso justamente lo que ocurre, ya que la cantidad de energía que entra y sale de la Tierra tiende ser la misma. La radiación que nos llega desde el Sol es parcialmente absorbida, mientras otra porción es dispersada y otra reflejada por los gases, aerosoles y nubes. Lo que alcance a llegar a la superficie es absorbida por los océanos, tierra y biósfera, y una parte pequeña es reflejada. ¡Retomaremos esto más adelante!.

Balance Parte 1: Lo que llega

Así como tus gastos mensuales deben estar en un balance: lo que entra por tus ingresos debe ser igual a lo que sale a través del gasto, la Tierra también posee su propio balance. La cantidad de radiación que entra debe ser la misma que la que sale. Si por algún motivo un mes gastas más dinero de lo que te ingresó en tu sueldo, te verás en una situación complicada. Para la Tierra, esta complicación sería un enfriamiento: la cantidad de energía utilizada fue mayor a la que ingresó desde el Sol. Por el contrario, si la Tierra recibe más radiación de la que utiliza, habrá un exceso de energía disponible que puede llegar a calentar el planeta.

Definiremos el Balance Radiativo o Balance Energético como la diferencia entre los valores totales de energía entrante y saliente del sistema climático. Si el balance es positivo se produce un calentamiento y si es negativo un enfriamiento. El balance energético del planeta se determina midiendo toda la energía que entra a la atmósfera proveniente del Sol, toda la energía que se devuelve al espacio y toda la energía que se queda en la Tierra y atmósfera. Por lo tanto, si promediamos a nivel global y durante largos períodos de tiempo, este balance debe ser igual a cero (por principio de conservación de la energía). Como el sistema climático obtiene prácticamente toda su energía del Sol, un balance nulo implica que la cantidad de radiación solar entrante en todo el planeta es igual a la suma de la radiación solar reflejada en la parte superior de la atmósfera más la radiación infrarroja saliente emitida por el sistema climático.

Empecemos, entonces, desde arriba. La radiación solar (energía de onda corta) viaja por el espacio casi sin alteraciones y comienza a ingresar a la atmósfera. Imaginemos esa cantidad como 100 unidades de radiación (100% en la figura de abajo). Pero el camino hasta la superficie es difícil. Entre el espacio y el suelo hay miles de millones de partículas de gases (mayormente vapor de agua y ozono) y sólidos flotando (aerosoles), listos para absorber, dispersar y reflejar la radiación solar.

Cerca de un 20% de toda la radiación solar es absorbida por la atmósfera. El Ozono es uno de los principales “absorbentes”, pero no el único. Esto puede parecer complejo de entender, pero tomemos como ejemplo lo que sucede en el atardecer cuando el sol está a punto de ocultarse y los rayos del sol deben atravesar una atmósfera más extensa que al medio día. La atmósfera absorbe gran parte de la radiación, permitiendo que sólo podamos ver las radiaciones amarillas y rojas, que son aquellas reflejadas y ubicadas en las longitudes de onda más largas cercanas al infrarrojo. Este espectáculo es aún más bello cuando hay nubes que también toman dichas tonalidades.

En cambio, cuando el sol está en su punto más elevado respecto al horizonte (al medio día), la “cantidad de atmósfera” en el camino no es tan abundante, permitiendo mayor dispersión y abundancia de radiaciones de longitud de onda corta propia de los colores azul y violeta. Como el ojo es mucho más sensible al azul, vemos el cielo con tonos azulados.

Una vez que la radiación logra sortear gases, partículas y otros, debe ahora sortear otro problema incluso mayor: el albedo. Esta extraña palabra hace referencia a la cantidad de energía que, literalmente, rebota ante la presencia de la radiación solar. Por ejemplo, las zonas cubiertas de hielo (en la figura de Balance Parte 1, la zona con nieve en la superficie). El color blanco de dichas superficies son un indicativo de que la energía que está llegando desde el sol está siendo casi completamente reflejada de vuelta al espacio, por lo que no participa en el proceso de calentar la superficie. Las nubes también producen una reflexión de la radiación solar de vuelta al espacio. De hecho, el albedo de la atmósfera, mayormente de las nubes, le quita a la radiación solar cerca de un 23% del total, mientras que la superficie cerca de un 9%.

Según el tipo de superficie el albedo puede variar mucho: en el mar entre un 6% y 10% dependiendo del oleaje y de la altura del sol (un mar en calma actúa más como espejo), en bosques entre un 5% y 20%, en arena un 25-30%, en nieve recién caída 80-90% (la nieve vieja refleja un poco menos). Si vas a una montaña nevada, no solo estás recibiendo radiación desde el Sol, sino que también, desde la superficie nevada.

Después de este intrincado y largo proceso, finalmente la radiación solar llega a la superficie terrestre. En términos prácticos, de las 100 unidades de radiación que teníamos entrando desde el espacio, solo nos quedaron 48. Es decir, poco más de la mitad fue absorbida o reflejada por la atmósfera y la superficie del planeta.

Balance Parte 2: Lo que sale

Una vez que la energía ha llegado a la superficie de La tierra, la superficie se calienta. Y como cualquier cuerpo u objeto, emite una radiación electromagnética en función de su temperatura. Si consideramos que la tierra posee una temperatura uniforme dado el hecho de que se encuentra prácticamente en equilibrio térmico, es necesario una equivalencia entre el flujo de energía entrante y el saliente. 

Entonces ocurre lo siguiente, del 100% de energía que es emitida por la tierra, sólo un 10% abandona la atmósfera directamente y gran parte (cerca de un 83%) es absorbido y re-emitido por los gases de efecto invernadero. Paralelamente a lo que emite la Tierra, un 46% es emitido por las nubes y gases atmosféricos (casi la mitad de lo que emite la superficie terrestre), sumando así un total de *56% de energía liberada al espacio. Este *56% representa -más o menos- la energía que fue absorbida por la superficie terrestre en la Parte 1, permitiendo finalmente un equilibrio.

Sin embargo, ni la energía solar recibida ni las emisiones de radiación electromagnética terrestres son distribuidas de manera uniforme alrededor de nuestro planeta. El balance radiativo es negativo en las regiones polares, es decir, que en estas zonas la energía emitida es mayor que la absorbida mientras que en el ecuador el balance es positivo.

Los efectos: Balance radiativo anual

Los desplazamientos atmosféricos a través de masas de aire y sistemas frontales en latitudes medias (entre los 30° y 60° de latitud), además de las circulaciones oceánicas superficiales son el resultado de la distribución desigual de energía en la superficie de la tierra. La temperatura rige la circulación atmosférica a causa de la relación inversa existente entre la temperatura y la densidad de un gas (cuando la temperatura aumenta, la densidad del gas disminuye). Los movimientos verticales están caracterizados por la ascensión de masas de aire de pequeñas densidades. La fuente principal de aire cálido es la región tropical que coincide con la zona donde existe un exceso de energía solar.

Además, el flujo solar no es constante, posee un ciclo anual cuya amplitud es de ±3% que resulta de la variación de la distancia entre la tierra y el sol (ya que la órbita no es estrictamente circular).

Es por esto que 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. En caso contrario, su temperatura aumentaría descontroladamente durante los próximos años.

 

Escrito por: Juan Crespo. Editor: José Vicencio. 

 

*Este valor es en referencia al 100% de lo que emitió inicialmente la Tierra. Además, hay que tener en cuenta de que la Tierra no se comporta como un cuerpo negro, sino mas bien como uno gris. Lo que permite, en gran medida, el equilibrio térmico de la tierra son los gases de efecto invernadero.

Referencias:

• Física del sistema climático. http://meteo.fisica.edu.uy/Materias/Fisica_del_sistema_climatico/teorico_Fisica_del_sistema_climatico/2018/Clase3.pdf
• Blog de la Agencia Estatal de Meteorología de España (AEMET). https://aemetblog.es/2016/07/26/balance-radiativo-del-sistema-tierra/