Balance radiativo terrestre

Keywords: Balance radiativo terrestre, Aerosol, Albedo, Atmósfera, Calor, Cielo, Cuerpo negro, Disco, Efecto invernadero (clima)

La Tierra, para mantenerse térmicamente estable a lo largo del tiempo debe ser capaz de evacuar, en término medio, toda la radiación recibida. Existen unos mecanismos reguladores que efectúan dicha tarea de diferentes maneras.

Tabla de contenidos

1 Radiación térmica

2 Albedo

3 Nubosidad

4 Dispersión

Radiación térmica

Más información: Radiación térmica

Todo cuerpo a una temperatura T tiende a enfriarse emitiendo radiación en la banda de los infrarrojos. La Tierra emite radiación térmica, también, y lo hace en de toda su superficie. En cambio, la radiación solar sólo se recibe en la cara diurna. Por eso, la Tierra se calienta de día y se enfría de noche.

En una primera aproximación se puede decir que la emisión térmica de la superficie de la Tierra, $(4\pi R^2 = 5.1\cdot 10^8 km^2)$ , compensa la irradiación sobre la superficie de un disco terrestre, $(\pi R^2 = 1.27\cdot 10^8 km^2)$ .

- Si esto último fuera cierto se podría calcular fácilmente la temperatura media de la Tierra mediante la Ley de Stefan-Boltzmann $(R_T = \sigma T^4 \,\!)$ . Suponiendo la Tierra un cuerpo negro y conociendo el valor de la constante solar (1367Wm^-2) se efectúan los siguientes cálculos y se obtiene:

$\frac {1367 \cdot \pi R^2}{4\pi R^2}=\frac{1367}{4}=\sigma T^4 \rightarrow T=278K=5,5{}^{\circ}\!C$

- Naturalmente esto sería en condiciones ideales, es decir, siendo la Tierra un cuerpo negro sin atmósfera. En la realidad existen otros factores que ayudan o impiden la evacuación del calor recibido. De hecho, la temperatura media al nivel del mar es de 15ºC, bastante mayor a la calculada. La causa de esta divergencia es el efecto invernadero. Toda una advertencia para aquellos que dudan de su influencia en el clima.

Albedo

Más información: Albedo

Este efecto no es otra cosa que la reflexión de la radiación solar al incidir sobre el planeta. Las superficies claras presentan mayor albedo que las oscuras. Así, las nubes, el hielo y la nieve son las superficies con mayor albedo mientras que los bosques, los océanos y, en definitiva, la roca pelada tiene un albedo inferior. La Tierra tiene un albedo de alrededor del 30% causado en su mayor parte por las nubes y los casquetes polares. Una pequeña parte del albedo también viene provocado por la dispersión atmosférica de la que se habla más adelante. Aproximadamente un 17% de la radiación incidente queda reflejada por las nubes un 8% por el aire despejado y un 6% por el suelo firme.

- Para tener en cuenta el albedo en el balance radiativo solo hace falta multiplicar la constante solar por (1-b) donde b es el coeficiente de albedo (pongamos b=0.3). Así queda un valor que es la cantidad de radiación realmente absorbida por la Tierra. Y con este valor se procede a los cálculos anteriores.

$\frac{1367 \cdot (1-0.3)}{4}=\sigma T^4 \rightarrow T=255K \simeq -18{}^{\circ}\!C$

- Como se puede ver el albedo rebaja aún más la temperatura media del planeta así pues la contribución del efecto invernadero es aún mayor. Ocurre que la mayor parte de ese aumento de temperatura media lo provoca la misma agua que causa el albedo. El resto hasta los 15ºC actuales son para el CO₂ y el resto de gases invernadero.

Nubosidad

Más información en: Nube

La nubosidad por sí sola afecta enormemente, y de dos formas contradictorias, al balance energético de la Tierra. Por una parte, las nubes absorben una cierta cantidad de radiacón para sí mismas y reflejan aproximadamente la mitad de la radiación solar incidente. Esto último hace que supongan la mayor contribución al albedo terrestre. De la misma forma devuelven con mucha mayor eficiencia una buena parte de la radiación infrarroja que reciben de la Tierra, lo que hace que también sean la mayor fuente de efecto invernadero. El balance entre ambos efectos no es fácil de determinar, pero se calcula que reflejan un 40% más de energía de la que capturan por lo que su efecto neto sería de enfriamiento. Naturalmente, tales cálculos están hechos sobre las nubes actuales. Nadie puede asegurar del todo el efecto de las nubes prehistóricas ni el de las nubes futuras, pues la configuración y distribución de éstas no solo depende de la humedad del entorno sino también de los aerosoles y posibles núcleos de condensación presentes en el aire.

Dispersión

Más información en: Dispersión

Las moléculas de aire desvían los fotones que impactan sobre ellas. Este fenómeno se llama dispersión molecular y según el parámetro de impacto de estos choques la desviación será mayor o menor. Gracias a este fenómeno nos llega radiación adicional del sol que rebota en el aire y regresa a la tierra en forma de radiación difusa. La dispersión es la que da el característico color azul al cielo. Pero la dispersión también contribuye en cierta medida al albedo terrestre. De hecho, un 8% de la radiación incidente es reflejada por el aire. Este fenómeno también contribuye de forma importante en el efecto invernadero donde una buena parte de la radiación infraroja reemetida hacia la tierra lo es debido al rebote de dichos rayos con moléculas libres de agua o dióxido de carbono.