viernes, 21 de mayo de 2010

El balance energético del planeta

La temperatura media del planeta Tierra es una consecuencia directa de su balance de energía: si el planeta recibe más energía que la que desprende, se calentará. Por el contrario, si desprende más energía que la que recibe, se enfriará. Si su temperatura media permanece constante indica que hay un equilibrio entre la energía que recibe y la que desprende el espacio exterior.

La comprensión de este balance es básica para entender el cambio climático.


La energía que recibe el planeta Tierra

La energía que recibe el planeta Tierra proviene del Sol.

Antes que nada, definiremos la “constante solar” como la densidad de energía solar que llega verticalmente sobre un círculo del mismo diámetro que la Tierra y situado en la alta atmósfera. Esta constante solar se mide directamente por satélites desde finales de los años setenta del siglo pasado, y su valor se sitúa entre 1.365 y 1.368 vatios/m2, según estemos en la parte baja del ciclo solar o en la parte alta (ciclo solar que dura aproximadamente 11 años). Tomaremos como valor medio 1.366 vatios/m2.



Ahora bien, esta energía se ha de repartir entre todo el planeta, que no es un círculo plano, sino una esfera, cuya superficie es de 4 x π x D2, donde D es el diámetro de la Tierra. Como la superficie del círculo del que hemos hablado antes es de π x D2, cuatro veces inferior, la energía que recibe en promedio cada punto de la Tierra es de 1.366 / 4 = 341 vatios/m2.

Este valor no es más que una media: los polos reciben menos, el ecuador recibe más. De noche no se recibe nada, de día se recibe el doble. Se recibe menos al amanecer y al atardecer que al mediodía.

Pero no toda esta radiación solar llega a la superficie de la Tierra. Siempre como media, estos 341 vatios/m2 se reparten de la manera siguiente:

- 71 vatios/m2 se reflejan al espacio exterior por las nubes, y 30 vatios/m2 por la tierra y el mar. Es decir, un total de 101 vatios/m2, un 31 % de la energía recibida se refleja directamente al espacio exterior.

- las nubes absorben 70 vatios/m2 (un 20 % del total). Esta energía sirve para calentar las nubes.

Llegan a la superficie de la Tierra, por tanto, unos 170 vatios/m2 en promedio. Su reparto es muy irregular, y va desde los 275 vatios/m2 en las regiones con pocas nubes del Sahara y de Arabia, hasta los solamente 75 vatios/m2 en las regiones brumosas del Ártico. Estos 170 vatios/m2 sirven para calentar la tierra y el mar, y representan algo menos del 50 % de toda la energía solar recibida por el planeta.


La energía emitida por el planeta hacia el espacio

El planeta Tierra, como cualquier cuerpo, emite calor. La ley de Stefan-Boltzmann permite calcular la cantidad de calor emitida por un cuerpo. Esta cantidad es proporcional a la temperatura absoluta del cuerpo elevada a la cuarta potencia (la temperatura absoluta es la que tiene como cero el cero absoluto, que se encuentra a 273ºC bajo cero)

El planeta Tierra, al tener una temperatura superficial de unos 14ºC (287º absolutos), emite al exterior 390 vatios/m2 (la superficie de la Tierra pierde, además, una media de 104 vatios/m2 por la evaporación del agua)

Si la totalidad de estos 390 vatios/m2 escapara hacia el espacio exterior, el planeta Tierra se enfriaría, ya que perdería más energía que la que recibe del Sol: estaríamos congelados: podemos ver en el gráfico que, para que hubiera equilibrio, es decir, que el planeta Tierra emitiera 170 vatios/m2, lo mismo que llega a su superficie, la temperatura media sería de -39ºC.


Por suerte, una buena parte de esta energía no se pierde: las nubes y la atmósfera hacen de pantalla y devuelven hacia la tierra y el mar 324 vatios/m2, dejando escapar hacia el espacio exterior 40 vatios/m2 de los 390 emitidos desde la superficie. Por otra parte, las nubes y la atmósfera emiten 200 vatios/m2 de radiación infrarroja hacia el exterior, por lo que el total emitido es de 240 vatios/m2, que representan un 61 % de los 390 emitidos por la superficie.



Balance

Si hacemos un balance entre la energía que llega directamente del Sol (341 vatios/m2) y la que emite el planeta hacia el espacio exterior (101 reflejados por la nubes y la superficie + 30 reflejados directamente por la superficie + 200 emitidos por las nubes y la atmósfera = 341 vatios/m2), el balance es equilibrado.

El balance de energía en la superficie está también equilibrado: llegan 170 vatios/m2 del Sol y 324 de las nubes y de la atmósfera, que suman 494 vatios/m2. Salen 104 por la evaporación del agua y 390 que emite por estar a 14ºC (ley de Stefan-Boltzmann), que también suman 494 vatios/m2.

Mientras estos dos balances estén equilibrados, la temperatura media del planeta permanecerá constante.

Si el efecto invernadero de las nubes y de la atmósfera aumenta, devolverán hacia la superficie de la Tierra una energía superior a la indicada, lo que repercutirá en un aumento de temperatura.


Precisión de este balance

Este balance energético del planeta no es exacto. La medición de la radiación solar efectuada por diversos satélites da unas variaciones de hasta 8 vatios/m2, lo que repercute en una imprecisión de hasta 2 vatios/m2 a nivel de la superficie terrestre. Los demás intercambios tienen aún una precisión menor, y están sujetos a discusión. Sin embargo, el balance, aún con estas imprecisiones, es útil para estimar el orden de magnitud de la influencia de las variaciones que puedan producirse en cada uno de los diferentes valores.

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