Nubes: ¿calientan o enfrían la atmósfera? [*]

Los sistemas complejos siempre están llenos de sorpresas. La Diosa Gaia admira las nubes de la Tierra en un momento de relax. Las nubes no sólo son un factor importante que influye en el clima de la Tierra, sino que son hermosas, elegantes y en constante cambio.

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Quizás haya oído que las nubes son un punto débil en nuestra comprensión del clima de la Tierra. Eso es cierto, y es un buen ejemplo de cómo a los terrícolas nos resulta difícil comprender cosas alejadas de nuestra experiencia cotidiana. Es tan difícil que incluso personas inteligentes, como el premio Nobel John Clauser, pueden malinterpretarlo por completo, pensando que las nubes actúan como un termostato que regula la temperatura de la Tierra. Para un repaso de los puntos principales de la propuesta de Clauser, véase el vídeo de Sabine Hossenfelder. Pero, aunque el vídeo derriba muy bien los argumentos de Clauser, no explica bien la interacción de las nubes con el clima.

Ya sabes que la Naturaleza es un desastre como maestra (¡Ejem!… lo siento Gaia). Primero tienes que aprobar el examen y luego ella te enseñará las respuestas correctas. Pero cometer errores es una buena manera de aprender una lección. Entonces, veamos si podemos desentrañar la cuestión de lo que las nubes hacen y no hacen al clima de la Tierra.

Nubes: ¿qué son?

Primero que nada, ¿qué es una nube? Todos reconocemos una cuando la vemos, y cuando estamos dentro de una, la llamamos “niebla”. ¿Pero existe una nube? En cierto sentido, no.

Una nube es un conjunto de gotas de agua que se acumulan en una región de la atmósfera cuando una masa ascendente de aire húmedo se enfría lo suficiente como para que el agua que contiene en fase vapor se condense en gotas. Estas gotas son más pesadas que el aire, pero son tan pequeñas que caen lentamente debido al arrastre viscoso (se llama “ley de Stokes”). Siempre que vemos una nube, estamos viendo una masa de aire caliente que se eleva.

Pero las nubes también pueden caer porque las gotas se hicieron grandes (en ese caso tenemos «lluvia») o porque la columna de aire caliente que las creó desaparece. En ese caso, una nube puede rodar majestuosamente cuesta abajo convirtiéndose en niebla. Aquí hay una imagen de nubes descendiendo desde Twin Peaks hacia la Bahía de San Francisco. Un espectáculo maravilloso:

Ahora, vayamos al efecto de las nubes en el clima. Sabemos que las nubes bloquean parcialmente la luz del sol y eso debe tener un efecto refrescante. Pero la historia es mucho más complicada que eso.

En primer lugar, la interacción de la luz solar con las nubes implica un mecanismo diferente a todo lo que normalmente interactúa en nuestra experiencia diaria. Normalmente estamos rodeados de objetos sólidos opacos que absorben la luz en su superficie y reemiten parte de ella. Las nubes son diferentes. Absorben la luz solar a través de otro mecanismo llamado «dispersión de Mie». Significa que los fotones cambian de dirección cuando interactúan con las gotas de agua, pero no son absorbidos; esto se llama «dispersión elástica». Los fotones se dispersan en todas direcciones, principalmente hacia adelante, pero una fracción se dispersa hacia arriba. Entonces, las nubes no son opacas, simplemente llega menos luz al fondo.

Sorprendentemente, las nubes dispersan la luz visible más o menos de la misma manera en todas las longitudes de onda; por lo que parecen de un blanco puro. De lo contrario, aparecerían coloreadas. Por cierto, esto es lo que sucede con la dispersión de Rayleigh, que opera a nivel molecular, y es por eso que el cielo sin nubes se ve azul. Si alguna vez miró las nubes desde la ventanilla de un avión, vio lo blancas y esponjosas que son. (imagen de Diego Martins)

El tamaño de la fracción de luz que las nubes envían al espacio depende de cuán densa y gruesa sea la nube. Hay muchos tipos de nubes, los meteorólogos distinguen diez tipos básicos, pero con muchas más subdivisiones. En su clip her clip, Sabine Hossenfelder se divierte con los rasgos de “Mammatus”, que parecen senos de mamífero.

Pero ese es un caso especial. Aquí hay una imagen (de la NASA) de los tipos de nubes más comunes:

Se puede ver como un “Cumulonimbus” es una nube muy espesa; puede alcanzar los 10 km. Como era de esperar, una nube espesa dispersa más luz solar y parece más oscura desde abajo. Sin embargo, ni siquiera las tormentas más oscuras son tan oscuras como la noche.

Efectos térmicos radiativos de las nubes

Entonces, llegamos a algo que tiene que ver con la temperatura: las nubes altas son menos densas porque hay menos agua en las alturas. Y también son más delgadas por el mismo motivo. Por lo tanto, dispersan menos luz hacia arriba que las nubes bajas, espesas y densas. Entonces, se podría decir que las nubes altas tienen un albedo menor que las nubes bajas y, por lo tanto, un efecto de enfriamiento.

Bien, pero hay más. Quizás haya leído que las nubes altas calientan la atmósfera mientras que las bajas la enfrían. Ahora bien, esa es una pregunta difícil: dado que las nubes altas reflejan menos luz que las bajas, ¿por qué su equilibrio térmico debería inclinarse hacia el calentamiento? No podrá resolver el enigma hasta que llegue a la otra parte del equilibrio radiativo de la Tierra: la radiación infrarroja. Mire esta imagen de la NASA:

En primer lugar, observemos cómo el efecto de las nubes sobre la radiación infrarroja (onda larga) es similar al de los gases de efecto invernadero: calientan la atmósfera al dispersar parte de la radiación emitida. Eso explica por qué el efecto general de forzamiento radiativo de las nubes no es sólo enfriamiento (como supuso erróneamente Clauser) sino también calentamiento. Normalmente, los dos efectos se equilibran entre sí y el resultado global parece ser un ligero enfriamiento. Pero no existe nada parecido a un “termostato de nube”, como propuso Clauser, generado por nubes que reflejan la luz solar hacia el espacio.

Pero todavía no hemos respondido a la pregunta de por qué las nubes altas calientan la Tierra mientras que las nubes bajas la enfrían. Para eso hay que profundizar más en los mecanismos de transferencia de calor en la atmósfera.

En primer lugar, la dispersión infrarroja de las nubes es una historia muy diferente en comparación con el efecto invernadero. Los gases de efecto invernadero absorben luz sólo en algunas regiones específicas del espectro IR. Aquí se ve el espectro de emisión de la Tierra. (imagen de Wikipedia, de Robert Wentworth CC BY-SA 4.0).

Probablemente ya haya visto esta imagen. Observe cómo los principales gases de efecto invernadero absorben la radiación IR en una región estrecha del espectro. Observe también la «ventana de infrarrojos» en el lado derecho de la banda de CO₂ en la figura. En esa región, casi no hay absorción de gases de efecto invernadero y la Tierra puede dispersar felizmente el exceso de calor en el espacio.

Pero la imagen es de un cielo despejado; no hay nubes involucradas. ¿Qué pasa si añadimos nubes? Bueno, las nubes interactúan con la radiación IR de forma muy parecida a como lo hacen con la luz solar. La dispersan, en parte, por el “efecto Mie”. Ahora bien, recuerde lo que dijimos: el efecto Mie no depende tanto de la longitud de onda; es más o menos lo mismo en todo el espectro. Si pudiéramos “ver” la luz infrarroja, veríamos que las nubes son blancas también en esa región del espectro. Entonces, el efecto de las nubes en el espectro de emisión infrarroja es simplemente reducir la intensidad de la emisión en todo el espectro infrarrojo. Significa que la Tierra emite menos y por tanto se calienta. Ésa es otra forma de entender el efecto de calentamiento de las nubes.

Ahora, un esfuerzo más. Preste atención porque este es un punto complicado.

Primero, tenga en cuenta cómo cambia la densidad del aire con la altura (imagen de Wikipedia)

Aquí la presión es proporcional a la densidad, la concentración de CO₂ varía aproximadamente de la misma manera. A 5 km de altura, la densidad de CO₂ es aproximadamente la mitad que, a nivel del suelo, y esto reduce a la mitad su capacidad para absorber radiación IR. Esto significa que a baja altura prácticamente todo la IR en la banda de absorción de CO₂ es absorbida y luego convertida en energía vibratoria; casi nada se emite al espacio. Pero a mayor altura, una fracción cada vez mayor de esta radiación IR logra llegar al espacio y desaparecer, enfriando la atmósfera.

Consideremos ahora cómo una nube baja bloquea la radiación IR en la región de absorción de CO₂. Eso cambia muy poco en el espectro IR saliente porque la IR es prácticamente absorbida en su totalidad por el CO₂. Por tanto, el efecto sobre el equilibrio radiativo (y por tanto sobre la temperatura) es pequeño.

Ahora consideremos una nube alta. Hace lo mismo, pero a una altura en la que la concentración de CO₂ se ha vuelto lo suficientemente pequeña como para no poder absorber tanta radiación de las longitudes de onda correspondientes a su banda de absorción. Esto significa que la nube impide que parte de la radiación IR pueda escapar al espacio, ya que de otro modo se prescindiría de la nube. Por tanto, tiene un efecto de calentamiento que las nubes bajas no tienen.

UB

30/12/2024

Fuente: 30.12.2024, desde el substack. com de Ugo Bardi “Living Earth” (“Tierra Viviente”) autorizado por el autor.