El clima de la Tierra explicado [*]

Ugo Bardi

Desde Florencia, Italia

La física atmosférica es un tema complicado y, a veces, incluso los expertos pasan por alto algunos detalles. En la figura de arriba, la característica básica que controla la temperatura de la Tierra, la tasa de caída de temperatura. De un artículo de Glenn Tamblyn

Encontré por casualidad un texto extremadamente bien escrito de Tamblyn on Quora . En mi experiencia, incluso las personas que se supone que saben sobre el cambio climático, a veces pasan por alto algunos elementos básicos de la física involucrada. Por lo tanto, le sugiero que eche un vistazo a este texto; es posible que aprenda algo que no sabía. Lo hice. Por ejemplo, no había comprendido cómo se relacionan las temperaturas de la superficie de Venus, la Tierra y Marte con las alturas respectivas de la altitud de emisión efectiva. ¡Asombroso! Véase también un artículo más detallado de Tamblyn (more detailed paper by Tamblyn.)

Glenn Tamblyn no es un científico del clima, sino un ingeniero mecánico experto en clima. Puede que sea la característica de provenir de un campo diferente lo que le hace capaz de expresar algunos conceptos con tanta claridad. Es, entre otras cosas, parte del Equipo Científico Escéptico, Skeptical Science Team. No he podido encontrar su correo electrónico para pedirle permiso para reproducir este texto, pero como fue publicado en un sitio público creo que no está protegido por derechos de autor y estoy seguro de que no se opondrá a verlo publicado aquí. Si algunos lectores tienen contacto con él, háganmelo saber en los comentarios.

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By Glenn Tamblyn

El efecto invernadero (GHE) depende de 3 cosas:

Balance radiativo y temperatura de radiación requerida.
Altitud de emisión efectiva.
Tasa de caída atmosférica.

Equilibrio radiativo.

La tierra recibe energía del sol. Éste llega a la órbita de la Tierra con una potencia de 1.361 W/m²del área frontal de la Tierra. Alrededor del 30% de la luz solar que llega es reflejada por las nubes, la superficie y la atmósfera. Esto no contribuye al equilibrio energético del planeta. El resto se absorbe. Si la Tierra simplemente absorbiera esta energía y no pudiera deshacerse de ella nuevamente, el planeta simplemente se calentaría cada vez más. ¡Radicalmente! Este es suficiente calor para secar los océanos en menos de 1.000 años si el planeta no pudiera deshacerse de él.

Pero es posible deshacerse de él irradiando la energía de regreso al espacio en forma de luz infrarroja. Si estos dos flujos de calor se equilibran, la cantidad de calor aquí en la Tierra no cambia y el clima es bastante estable. Se trata de una estabilidad dinámica; sin embargo, la cantidad de calor que llega del sol varía a lo largo del año, el grado de reflexión de la Tierra varía y la producción del Sol varía muy ligeramente en un ciclo de aproximadamente 11 años. Pero todos estos son ciclos y se equilibran.

Para irradiar suficiente energía, la Tierra, o más importante aún, la parte adecuada de ella, debe estar a la temperatura adecuada. Cuanto más calor hace, más irradia. Entonces, si la Tierra no está lo suficientemente caliente, no está irradiando lo suficiente, las cosas están desequilibradas y se calienta hasta estar en equilibrio. Lo contrario ocurre si hace demasiado calor: irradia demasiado y se enfría. Entonces, con los ciclos estacionales, siempre “buscamos” volver al equilibrio.

Entonces, ¿qué tan cálido tiene que ser? Dado que la radiación proviene de toda la superficie, la cantidad que debe radiarse por m² es la relación entre el frente del planeta y la superficie total: 1/4. Por lo tanto, debe irradiar 1361 *0,7/4 = 238 W/m² por cada metro cuadrado de superficie, en promedio. Aunque distintas partes de la superficie se encuentran a diferentes temperaturas, la media acabará siendo de 238.

Entonces, ¿qué temperatura debe tener algo para irradiar 238 W/m²? Podemos resolver esto a partir de una ecuación en termodinámica, la ley de Stefan-Boltzmann, Stefan–Boltzmann law – Wikipedia. Cuando resolvemos esta ecuación para calcular la temperatura, obtenemos 255 grados Kelvin o -18 Celsius.

La temperatura media debería ser de -18°C, pero en realidad la temperatura media de la superficie es más bien de +15°C, es decir, 33 grados más. Algo está manteniendo la Tierra mucho más caliente de lo que debería estar. Tenga en cuenta que introduje la palabra «superficie» allí. Esto importa en la siguiente parte.

Altitud de emisión efectiva.

Los gases de efecto invernadero absorben la radiación infrarroja (RI). Entonces, la RI que se irradia desde la superficie puede ser absorbida en parte por esos gases en la atmósfera. ¿En qué medida? Alrededor del 90% de la RI que se irradia desde la superficie no sale al espacio, no directamente. Esta energía es absorbida y distribuida por todas las moléculas de la atmósfera, se termaliza. El 10% que sale es en longitudes de onda donde las moléculas de GEI no están activas.

Pero la cosa no termina ahí. Las moléculas de GEI también pueden irradiar RI, y lo hacen al azar, en todas direcciones. Así que sólo una parte de esta re-radiación se irradia hacia arriba. Y toda su re-radiación está en las longitudes de onda que absorben, por lo que nada de esta re-radiación puede llegar al espacio, es reabsorbida por otras moléculas de GEI o, si está cerca del suelo, por la superficie. Entonces todavía no sale al espacio. Entonces, ¿cómo solucionamos el equilibrio radiativo?

Cuando la atmósfera es así, absorbiendo prácticamente todo, se dice que es ópticamente gruesa. Sin embargo, a medida que ascendemos en la atmósfera, su densidad disminuye y disminuye, el número de todas las moléculas en un volumen de aire es menor y el número de moléculas de GEI también es menor. Con el tiempo, cuando el número de moléculas de GEI es lo suficientemente alto, ha disminuido lo suficiente como para que ya no se absorba parte de la radiación. La radiación hacia arriba ahora puede comenzar a llegar al espacio. La atmósfera se está volviendo ópticamente más fina a esta altitud. Sin embargo, esta altitud donde comienza la transición varía significativamente para diferentes longitudes de onda de RI. Porque las moléculas de GEI tienen diferentes probabilidades de absorber (y por tanto también emitir) en diferentes longitudes de onda.

Así, progresivamente, a medida que ascendemos, más y más longitudes de onda empiezan a poder escapar al espacio, hasta que prácticamente todas pueden hacerlo. Esta fue mi razón para referirme antes a la superficie. La mayor parte de la radiación RI que llega al espacio no proviene de la superficie, sino de zonas más altas de la atmósfera. Aunque la altura de esta transición varía con la altitud, aún podemos hablar significativamente de la altitud promedio donde surgen las emisiones: la altitud de emisión efectiva. En la Tierra eso está a unos 5 km de altura. Y esto está determinado por la concentración de gases GEI en la atmósfera. Con más gases GEI la altitud media es mayor.

Entonces, para el equilibrio radiativo, dado que la altura promedio desde la que provienen las emisiones es de 5 km, y la intensidad de la emisión depende de la temperatura, esta altitud de 5 km debe tener la temperatura adecuada para mantener el equilibrio. Tiene que estar a -18°C. Y lo está. La temperatura media de la superficie es de +15°C y la temperatura del aire baja 6,5°C por cada km que subimos, por lo que la capa de 5 km está en 15 – (6,5 * 5) = -18°C lo suficientemente cerca.

Entonces la Tierra está irradiando al espacio correctamente. Está irradiando como un cuerpo de -18°C. Sólo que no viene de la superficie. ¿Es esto una coincidencia? No.

Tasa de caída atmosférica.

La atmósfera inferior se enfría a medida que ascendemos debido a la tasa de caída ambiental; Wikipedia tiene una discusión aquí: Lapse rate – Wikipedia. Esto es impulsado por el movimiento vertical del aire y la condensación. Y la atmósfera se enfría a -6,5°C/km. No sólo hasta el nivel de los 5 km, sino también por encima de él. Este es un proceso de mezcla vertical activa que impulsa esto. Por lo tanto, mueve el calor hacia arriba y hacia abajo para producir un gradiente de 6,5°C/km Y una temperatura a 5 km de -18°C porque el equilibrio radiativo lo obliga. Entonces, este proceso de mezcla hace que las temperaturas en el resto de la columna de aire tengan un valor relativo al nivel de 5 km. Lo que significa que la temperatura de la superficie es de 15°C. Y la temperatura a 10 km es de alrededor de -51°C.

Este es el GHE en pocas palabras. El equilibrio radiativo determina la temperatura de emisión, las concentraciones de gas GH determinan la altitud a esa temperatura y el motor de mezcla de la “caída atmosférica” establece las temperaturas en el resto de la columna de aire.

Estos son todos promedios, todavía hay ciclos, variaciones locales, la tasa de caída difiere de un lugar a otro dependiendo de cuánta condensación se esté produciendo, y la altitud de emisión efectiva varía un poco de un lugar a otro, particularmente debido a las variaciones en el vapor de agua. contenido del aire. Pero el panorama general se ve así.

Entonces, si incrementáramos la concentración de gases GEI de modo que la altitud promedio de transición a la delgadez óptica fuera ahora de 5,5 km, ¿qué pasaría? 5,5 km están a -21,25°C, lo que no es lo suficientemente cálido como para generar suficiente radiación al espacio. La tierra no está en equilibrio. Lo que sucede ahora es que se acumula calor en el sistema. Al principio, una gran parte tiene que destinarse a calentar los océanos, pero eventualmente el nivel de 5,5 km tiene que calentarse a 18°C para restablecer el equilibrio radiativo. Y el motor de la “caída atmosférica” (Lapse Rate) ajusta el resto de la columna de aire alrededor de esto y la temperatura de la superficie ahora es de 18,25°C. Calentamiento global (hay algunos otros detalles que he omitido, particularmente que el tamaño de la “caída atmosférica” (Lapse Rate) disminuye porque en un mundo más cálido hay más evaporación y por tanto más condensación).

El quid de la cuestión es que para tener un GEI se requiere la diferencia de altura entre la superficie y la altitud de emisión efectiva. En la Tierra eso es 5 km. Entonces la Tierra es el primer caso de un GEI.

Venus es nuestro próximo caso. Su atmósfera es 95% CO₂ con masas de nubes en la parte superior y 95 veces la masa de la atmósfera terrestre; en la superficie es tanto un líquido fino como un gas espeso. Por tanto, su altitud de emisión es de más de 50 km sobre la superficie. Y su tasa de caída es mayor (10,2 – 10,4°C/km) ya que no hay agua ni condensación. Entonces, el GEI produce una diferencia de temperatura en la superficie de más de 500°C. La temperatura de la superficie es lo suficientemente alta como para derretir el plomo porque la altitud de emisión es muy alta.

El siguiente es Marte, otro caso. Aunque su atmósfera también es casi toda CO₂, es tan fina que su altitud de emisión es muy baja. Marte tiene un GEI de 6°C aproximadamente. El siguiente es Titán, la luna de Saturno, que tiene un GHE y un efecto anti-invernadero. Efecto anti-invernadero – Wikipedia. Esto sucede cuando la mayor parte de la luz solar absorbida por un planeta se absorbe a mayor altura en la atmósfera, pero la altitud de emisión es menor. Titán tiene una capa alta de neblina y luego gases GH en su atmósfera. El GHE aumentaría la temperatura de la superficie en 21 °C, pero el anti-GHE la reduciría en 9 °C, por lo que la superficie en realidad es 12 °C más cálida. El metano es el principal gas GH en Titán, pero en atmósferas frías y razonablemente densas también se puede producir absorción y emisión cuando colisionan moléculas que normalmente no son gases GH: nitrógeno e hidrógeno en este caso.

Otros planetas tienen atmósferas influenciadas por velocidades de caída, esto es universal si hay una atmósfera donde puede ocurrir circulación vertical mientras la atmósfera es ópticamente espesa. Por el contrario, en atmósferas finas, que también lo son ópticamente, la mezcla es más rara y la radiación domina la formación del perfil de temperatura.

Se espera que los planetas alrededor de otras estrellas tengan GEI si cumplen las condiciones adecuadas. Atmósferas donde las altitudes de emisión y absorción difieren y puede ocurrir mezcla. Así que el universo debería tener tropecientos millones de casos de GHE.

El siguiente es Titán, la luna de Saturno, que tiene un GEI y un efecto anti-invernadero. Wikipedia Anti-greenhouse effect – Wikipedia. Esto sucede cuando la mayor parte de la luz solar absorbida por un planeta se absorbe a mayor altura en la atmósfera, pero la altitud de emisión es menor. Titán tiene una capa alta de neblina y luego gases GEI en su atmósfera. El GEI aumentaría la temperatura de la superficie en 21°C, pero el anti-GEI la reduciría en 9°C, por lo que la superficie en realidad es 12°C más cálida. El metano es el principal gas GEI en Titán, pero en atmósferas frías y razonablemente densas también se puede producir absorción y emisión cuando colisionan moléculas que normalmente no son gases GEI: nitrógeno e hidrógeno en este caso.