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Ecos del futuro

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  • Inicio > Historias > Cómo funciona el efecto invernadero

    Cómo funciona el efecto invernadero

    Continuación de El efecto invernadero es una cosa buena

    La entrada anterior es bien fácil de resumir en una sola frase. Una Tierra sin efecto invernadero tendría una temperatura de equilibrio de -18ºC. Nuestro objetivo en esta entrada es mostrar de la manera más simple posible cómo actúa el efecto invernadero para elevar esa temperatura. El lector estará pensando: ¡más sencillo que caer en la cuenta de que la atmósfera absorberá parte de la radiación solar calentando la superficie... Imposible!. Y tendrá razón, pero si no vamos a los detalles, aprendemos poco y no llegaremos a las cosas interesantes. Primero entender las cosas fáciles para intentarlo luego con las difíciles.

    En primer lugar, es importante señalar que a pesar de su nombre, la atmósfera no atrapa el calor como lo hace un invernadero. El plástico del invernadero impide que el calor del aire --calentado por el contacto con el suelo donde inciden los rayos solares-- escape principalmente por convección.

    En la atmósfera, la radiación infrarroja (RI) de longitud de onda larga emitida por la superficie es absorbida --al menos parcialmente-- produciendo un calentamiento que a su vez produce RI. Esta RI es emitida en todas direcciones y reabsorbida hasta que alcanza una capa suficientemente enrarecida --en la parte alta de la troposfera-- para escapar al espacio. Allá arriba, la temperatura alcanzada dependerá de que se establezca el equilibrio entre la radiación emitida al espacio y la radiación solar incidente --de otra manera, si no hubiese equilibrio e incidiera más radiación de la emitida continuaría el calentamiento--. De hecho, medidas indirectas basadas en el flujo de calor en los océanos indican que existe un desequilibrio del orden de 1 W/m², lo que indica que la atmósfera podría estar ajustándose hacia una temperatura de equilibrio más elevada.

    El hecho interesante es que los gases invernadero --es decir, aquellos que interaccionan con la RI-- no son capaces de parar su ascenso, porque después de absorber la radiación, ésta vuelve a reemitirse con lo que en promedio algo así como la mitad sigue ascendiendo en la atmósfera. ¡Es el equilibrio radiativo de la última capa de emisión la que establece la temperatura final alcanzada!. Invito al lector a quedarse con este hecho fundamental que veremos cómo explica que aunque el dióxido de carbono esté en cantidades minúsculas en la atmósfera comparado por ejemplo con otro gas invernadero como el vapor de agua, la posibilidad de que se distribuya hasta alcanzar capas elevadas de la atmósfera desplaza esta última capa de equilibrio a mayor altitud, hacia un lugar más frío y más seco dónde el vapor de agua no juega ningún papel.

    En una primera aproximación, supondremos que la atmósfera es transparente a la luz solar --luz visible de longitud de onda corta-- mientras absorbe y re-emite la RI desde la última capa --correspondiente a la troposfera en la atmósfera real--. Esta aproximación está justificada por el hecho de que el espectro de emisión solar y la absorción de los gases de efecto invernadero tienen sus respectivos máximos a longitudes de onda muy alejadas entre sí, como se muestra en la figura a continuación.


    Vemos que la parte más relevante del espectro solar --alrededor de las 0,5 micras-- correspondiente a luz visible --en amarillo-- coincide con escasa absorción de la atmósfera, mientras que la emisión infrarroja de la superficie terrestre --en torno a las 15 micras-- coincide con las bandas de absorción de los gases, por lo que resulta netamente absorbida.

    Nuestro primer modelo de efecto invernadero asumirá una atmósfera de una sola capa que es completamente transparente a la radiación solar --y por tanto no hay absorción aunque sí reflexión debida al albedo--. Dicha capa absorberá toda la RI, calentándose y re-emitiendo a una temperata Ta que coincide con la temperatura de equilibrio correspondiente a un cuerpo negro a dicha temperatura, o temperatura efectiva Te --ver entrada anterior-- En la figura pueden apreciarse todas las radiaciones emitida en este simple modelo.


    En este momento empezamos con las ecuaciones. El lector puede obviarla sin perder el hilo principal de la entrada.
    Como en nuestro modelo sin efecto invernadero, el equilibrio del planeta sería

    energía incidente = energía radiada



    Donde Te = 255 K

    Podemos además establecer el equilibrio en la atmósfera como



    y despejando la temperatura superficial, tenemos



    o unos 30ºC.

    Es decir, tenemos una predicción del efecto invernadero que implica una temperatura superficial elevada (30ºC) comparada con una temperatura bastante baja en la parte alta de la atmósfera (-18ºC). Esta diferencia de temperatura es esencial en el funcionamiento del efecto invernadero en la Tierra y se conoce desde hace más de un siglo. En nuestro sencillo modelo, la diferencia es debida la equilibrio radiativo. En la atmósfera real, el efecto invernadero no es tan pronunciado como en este modelo y parte de la radiación infrarroja no es interceptada antes de escapar al espacio. Y el enfriamiento de las capas superiores no es radiativo, sino por expansión adiabática --es decir, el aire se enfría al expandirse-- modificada por la convección.

    Otra aproximación que estamos haciendo --la transparencia total de la atmósfera a la luz solar-- no tiene en cuenta que las nubes absorben un 20-25% de la radiación solar incidente. Habitualmente se toma un valor medio estimativo de 240 W/m² que alcanzan la superficie.

    Por todo ello la temperatura superficial es claramente una sobreestimación en nuestro modelo. De hecho, un modelo de equilibrio radiativo como éste que considere N capas en la atmósfera --en lugar de una sola-- llevaría a predecir una temperatura superficial enorme proporcionalmente a la raíz cuarta del número de capas. De esa manera,  la temperatura diverge en la superficie para un número arbitrariamente grande de capas, aunque el perfil de temperaturas de la atmósfera no resulte descabellado si bien hay diferencias importante, como vemos en la comparación con una perfil típico de temperaturas atmosféricas a la izquierda y un modelo de equilibrio radiativo multicapa.


    Cuando la temperatura cerca de la superficie alcanza cierto umbral empieza a actuar la convencción que redistribuye el exceso de calor a capas más elevadas.

    En la próxima entrada veremos cómo mejorar el modelo radiativo introduciendo un efecto invernadero ajustable. Dicho modelo seguirá siendo sencillo pero nos permitirá entender como se introducen los feedbacks --efectos de retroalimentación como el producido por el aumento de vapor de agua debido al aumento de la temperatura-- y cómo introducir la contribución de los gases de efecto invernadero.

    Descargar esta entrada como pdf


    Referencias:
  • Atmosphere, ocean, and climate dynamics. Chapter 2, The global energy balance
  • The Greenhouse Effect
  • U6115 Climate and Water Lecture I: Solar Radiation and the Earth's Energy Balance

    2009-08-10 17:10 | Cambio climatico, Fisica | 3 Comentarios


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    Comentarios

    1
    De: Albert Fecha: 2015-11-16 12:37

    Estos 3 comentarios de Alejandra me han hecho recordar al Paleofreak y he ido allí a recordar y volver a reír un rato:
    http://paleofreak.blogalia.com/historias/37591
    http://paleofreak.blogalia.com/historias/74491
    Saludos Pedro, :)



    2
    De: Albert Fecha: 2015-11-16 12:43

    Me he dejado el enlace al hit-parade de los comentáridos:
    http://paleofreak.blogalia.com/documentos/comentaridos/comentaridos.html
    son buenísimos,...



    3
    De: Pedro J. Fecha: 2015-11-16 20:13

    He borrado los comentarios, Albert. Salvo despiste, siempre borro los comentarios que no aportan nada, sobre todo cuando se cuida poco la ortografía y menos aún la educación :)

    Por cierto, he tenido unos meses complicados y todavía no he publicado en el blog de climatología. Tengo una entrada casi terminada que espero publicar estos días. La anunciaré por aquí de todos modos.



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