4.2.1: Radiación solar y distribución de temperatura

Los vientos y las corrientes oceánicas se desarrollan como consecuencia de la distribución desigual del calor sobre la superficie terrestre. Este desequilibrio térmico se explica en gran parte por el hecho de que diferentes partes de la superficie terrestre reciben diferentes cantidades de radiación solar.

La principal fuente de energía térmica para la tierra es la radiación electromagnética emitida por el sol. A medida que la radiación pasa a través de la atmósfera terrestre se agota por la reflexión desde la cima de las nubes y la absorción por las nubes y los gases atmosféricos. La cantidad de radiación entrante que realmente llega a la superficie terrestre, puede ser absorbida allí, ser transmitida hacia abajo si encuentra un material que le es transparente, o ser reflejada. La absorción de la radiación conduce al calentamiento. El calor puede transmitirse hacia abajo por conducción o, en el caso de fluidos, por convección.

La tierra a su vez emite radiación electromagnética al espacio. La radiación terrestre de baja frecuencia es fácilmente absorbida por gases en la atmósfera como vapor de agua, dióxido de carbono y ozono. Estos gases a su vez emiten radiación de onda larga en todas las direcciones. Como resultado, actúan como una capa de aislamiento alrededor de la tierra análoga al vidrio de un invernadero y su efecto sobre las temperaturas de la tierra ha sido llamado el efecto invernadero. Las emisiones de gases de efecto invernadero inducidas por el ser humano pueden aumentar la capacidad de la atmósfera para absorber radiación y conducir a un calentamiento gradual de la tierra y la atmósfera. Esto se conoce como calentamiento global.

Figura 4.1: Media zonal de radiación entrante y saliente de la parte superior de la atmósfera de las mediciones de radiación satelital CERES en el periodo 2001-2014.

Ignorando cualquier cambio en la temperatura media anual de la Tierra de un año a otro y tomando valores medios anuales, debe existir un equilibrio entre la radiación solar entrante y la radiación terrestre saliente. Sin embargo, la cantidad de radiación entrante depende en gran medida de la latitud. La radiación entrante anual total es mayor en el ecuador y disminuye hacia los polos. La Figura 4.1 muestra la intensidad de radiación entrante y saliente promediada a largo plazo en función de la latitud. En latitudes altas la radiación entrante es menor que la radiación saliente: se encuentra una pérdida neta de calor por radiación. Cerca del ecuador hay una ganancia neta. El cambio de un excedente a un déficit en el balance neto anual de radiación ocurre a aproximadamente 37° de latitud N y S. La distribución desigual del calor sobre la superficie terrestre requiere transferencia (advección) de calor. Como resultado ambos vientos (Secc. 4.2.2) y las corrientes oceánicas (Secc. 4.2.3) que son responsables del transporte de calor advectivo. Alrededor del 60% del transporte de calor advectivo se puede atribuir al movimiento del aire. Las corrientes oceánicas se encargan del 40% restante.

La cantidad de radiación solar entrante está determinada por factores como la distancia promedio entre el sol y la tierra, la duración diaria de la luz solar, la transparencia

de la atmósfera y los ángulos en los que los rayos del sol golpean la tierra. Estos factores varían no solo con la latitud sino que también tienen un componente estacional. Otro factor que rige la distribución del calor es el hecho de que diferentes superficies absorben y almacenan energía a diferentes velocidades. Las superficies terrestres se calientan rápidamente durante el día y se enfrían rápidamente durante la noche, mientras que un océano responde más lentamente a los cambios en la radiación entrante. Esto se debe a que:

• en el agua, la radiación solar penetra más que en la tierra;
• el agua tiene una capacidad calorífica específica aproximadamente cuatro veces mayor que la tierra (se requiere cuatro veces más energía para elevar la temperatura del agua);
• el agua tiene una gran posibilidad de almacenamiento de calor por el proceso de mezcla y evaporación.

Figura 4.2: Temperaturas del aire\(h = 2m\) por encima de la superficie en enero (parcela superior) y julio (parcela inferior). Las isotermas unen lugares con condiciones de temperatura similares. La zona ecuatorial es mucho más cálida que los polos. Generalmente, las isotermas siguen las latitudes, pero las isotermas sobre los océanos se doblan hacia el ecuador en verano y hacia los polos en invierno. Datos del conjunto de datos de reanálisis del modelo ECMWF ERA5 (ECMWF, n.d., y https://apps.ecmwf.int/codes/grib/param-db/?id=167).

La Figura 4.2 muestra el efecto de las estaciones y el calentamiento diferencial de los océanos y la tierra entre el agua y la tierra sobre la distribución de la temperatura del aire sobre la superficie terrestre. La figura muestra la distribución de la temperatura en enero (invierno norte, verano sur) y julio (verano norte, invierno sur), que para la mayoría de los lugares de la tierra representan las condiciones extremas. En invierno los océanos permanecen más cálidos que la tierra y en verano la tierra se calienta más que los océanos. Como resultado, en enero las isotermas sobre los océanos NH se doblan hacia el Polo Norte y las isotermas sobre los océanos SH se doblan hacia el ecuador. En julio se revierte esta situación. En invierno las isotermas están más espaciadas (gradientes térmicos más grandes) que en verano. Además, las isotermas están más estrechamente espaciadas sobre las masas terrestres que sobre los océanos abiertos.