1.1: Alguna Física Básica Relevante a la Superficie de la Tierra

ANTECEDENTES: ALGUNAS FÍSICAS BÁSICAS (NO MATEMÁTICAS) RELEVANTES PARA LA SUPERFICIE TERRESTRE

1. Energía

Primero necesitas sentirte cómodo con la naturaleza de la energía. Tenemos que preocuparnos por tres formas de energía: energía de movimiento (llamada energía cinética), energía de posición (llamada energía potencial) y energía de movimientos térmicos de átomos de moléculas de un material (llamada energía térmica o energía térmica). La energía cinética y la energía potencial juntas a menudo se denominan energía mecánica.

Si aún no estás familiarizado con estos conceptos de energía, aquí tienes una pequeña demostración que debería servir para darte las ideas básicas. Necesitarás un trozo de arcilla para modelar o masilla. Tirar el bulto hacia arriba en el aire. Cuando deja tu mano, tiene cierta velocidad y por lo tanto cierta energía cinética. Se ralentiza por la fuerza descendente de la gravedad a medida que sube, por lo que pierde energía cinética, pero esa energía cinética perdida se almacena como energía de posición, en virtud de estar ubicada más arriba en el campo gravitatorio de la Tierra. Cuando llega a la cima de su trayectoria, toda su energía cinética se ha almacenado como energía potencial. Luego, en el camino hacia abajo, la energía potencial almacenada se convierte de nuevo en energía cinética. Si estuvieras haciendo esto al vacío en alguna enorme campana evacuada o en la superficie de la Luna, la masilla tendría la misma velocidad cuando aterrice de nuevo en tu mano que cuando la tiraste hacia arriba. La energía mecánica del bulto, cinética más potencial, es la misma a lo largo de la trayectoria; se dice que la energía mecánica se conserva.

En la superficie real de la Tierra, por supuesto, el bulto está bañado en aire, y su movimiento se ve retardado por la fricción tanto en el camino hacia arriba como en el camino hacia abajo. Esa fricción calienta el bulto (y el aire por el que pasa), ligeramente, convirtiendo parte de la energía mecánica en energía térmica.

Otra cosa que puedes hacer con el bulto es dejarlo caer en el piso desde algún lugar alto. Tiene algo de energía cinética ya que aterriza en el piso, pero luego se detiene al impactar, sin siquiera rebotar. ¿Qué pasó con toda su energía cinética? Se convirtió completamente en energía térmica, a través de la fricción involucrada en la deformación del bulto a medida que hizo impacto. Si tuvieras el equipo adecuado, en realidad podrías verificar por ti mismo que el bulto estaba más cálido después de que aterrizó que antes.

2. Radiación electromagnética

Todos los cuerpos (piezas o regiones de la materia, en el lenguaje del físico) a temperaturas superiores al cero absoluto irradian energía en forma de ondas electromagnéticas. El tema del electromagnetismo va al corazón de la física, y aquí es demasiado complicado para un tratamiento completo, pero todos ustedes están familiarizados con la existencia y el efecto de las ondas electromagnéticas, de varias maneras: el calor radiante que reciben de su chimenea o calentador eléctrico; la luz que perciben con tus ojos; ondas de radio, televisión y radar; rayos x.

Las ondas electromagnéticas varían en un enorme rango de longitudes de onda, desde las longitudes de onda muy cortas de los rayos cósmicos y los rayos x, pasando por el rango intermedio de la luz ultravioleta y visible, pasando por el infrarrojo hasta las longitudes de onda largas de las ondas de radio y similares (Figura 1-1). La longitud de onda más corta visible para el ojo, en el borde del ultravioleta, es de aproximadamente 0.36 μm; la longitud de onda más larga, en el borde del infrarrojo, es de aproximadamente 0.76 μm.

Figura 1-1. El espectro electromagnético. (De Lutgens y Tarbuck, 2004.)

De las diversas leyes físicas que rigen la emisión y absorción de radiación electromagnética, la que más relevante para nosotros aquí es la ley de Viena: el producto de la temperatura absoluta y la longitud de onda de la radiación más intensa es una constante. Eso significa que un cuerpo con una temperatura superficial relativamente alta, como el sol, irradia energía a longitudes de onda relativamente cortas, y un cuerpo con una temperatura superficial relativamente baja, como la tierra, irradia energía a longitudes de onda relativamente largas. La intensidad máxima de la radiación del Sol es de aproximadamente 0.5 μm, mientras que la intensidad máxima de la radiación de onda larga de la Tierra es de aproximadamente 10 μm, bien dentro del rango infrarrojo.

Pero cuerpos como el Sol y la Tierra no irradian toda su energía a una sola longitud de onda: irradian sobre un amplio rango de longitudes de onda. La Figura 1-2 es una gráfica de la intensidad de la radiación solar en función de la longitud de onda. Vemos de la Figura 1-2 que el sol irradia la mayor parte de su energía en la parte visible y ultravioleta del espectro, pero una parte sustancial también en la parte infrarroja del espectro. Una gráfica similar para la radiación de la Tierra de regreso al espacio, también mostrada en la Figura 1-2, mostraría una forma similar pero desplazada lejos hacia las longitudes de onda largas.

Figura 1-2. Intensidad de la radiación solar de onda corta y la radiación terrestre de onda larga en función de la longitud de onda. (De Lutgens y Tarbuck, 2004.)

La próxima vez que estés en tu patio o jardín, o en el parque o en el campo, quiero que pienses en la radiación de onda larga: no puedes verla (aunque la puedes sentir), pero está operando en todas partes, todo el tiempo, y es tan importante como la luz solar en términos de su efecto sobre el clima local ( aunque obviamente no en términos de crecimiento vegetal, o bronceado, o cáncer de piel).

Temperatura y Calor

Todos los átomos o moléculas de la materia sufren movimientos inherentes. En los gases, estos movimientos consisten en trayectorias largas y rectas de los átomos o moléculas, llamadas trayectorias libres. Si el gas está encerrado en un contenedor, las partículas chocan con las paredes del contenedor. Macroscópicamente percibimos el agregado de tales colisiones como la presión que el gas ejerce sobre las paredes del contenedor. De vez en cuando, las partículas también chocan entre sí mientras vuelan alrededor. La distancia promedio recorrida por una partícula entre colisiones con otras partículas se denomina camino libre medio. La trayectoria libre media de las moléculas de aire a presión atmosférica y una temperatura de 0°C es de aproximadamente 2 x 10-5 cm (una distancia muy pequeña, igual a aproximadamente mil diámetros de molécula). La frecuencia de colisión es de aproximadamente 5 x 109 por segundo, lo que es un tiempo extremadamente corto. ¡Cada molécula hace cerca de cinco mil millones de colisiones por segundo!

En los sólidos, los átomos o moléculas se fijan en su lugar, ya sea en la matriz regular de una estructura cristalina o en la disposición irregular de un sólido amorfo (no cristalino). Aprenderás más sobre eso en el Capítulo 2. Pero las partículas no se detienen: vibran en su lugar, con cierta amplitud y frecuencia. En los líquidos, los átomos o moléculas están en estrecha asociación entre sí, y ejercen fuertes fuerzas unos sobre otros, pero también experimentan los mismos movimientos aleatorios a pequeña escala que son característicos de los gases y sólidos.

A lo que estamos tratando aquí se llaman movimientos térmicos, o vibraciones térmicas. Estos movimientos son una característica inherente de toda la materia. Las partículas móviles o vibrantes tienen alguna energía de movimiento, llamada energía cinética. Cuanto más caliente es la materia (es decir, cuanto mayor es la temperatura de la materia), más vigorosos o energéticos son los movimientos térmicos. De hecho, lo que los físicos llaman la temperatura de la materia es solo una medida de la energía cinética promedio de todos los átomos o moléculas constituyentes. A medida que se baja la temperatura de un cuerpo de materia, se alcanza un punto en el que la energía térmica de los átomos y moléculas se encuentra en un mínimo absoluto. Esa temperatura se llama cero absoluto, alrededor de -273°C.

Todos ustedes conocen la escala de temperatura Fahrenheit, que nosotros aquí en Estados Unidos usamos en nuestra vida cotidiana. Probablemente también sepas que ha sido suplantada en la mayoría de las otras partes del mundo, y por científicos de todas partes, por la escala Celsius de temperatura (antes llamada escala centígrados), con el punto de congelación del agua a 0°C y el punto de ebullición del agua (a presión del nivel del mar) a 100°C Lo que puede ser menos familiar para usted es la escala Kelvin de temperatura, en la que los grados son los mismos que en la escala Celsius pero cero se fija en cero absoluto. En la escala Kelvin, los grados se llaman kelvin (no “grados Kelvin”).

Es importante que entiendas la distinción entre temperatura y calor: ¡están relacionados, pero no son lo mismo! El calor es la energía interna total de todos los átomos o moléculas constituyentes en un determinado cuerpo de materia. (Por energía interna aquí, me refiero a toda la energía cinética de los átomos y moléculas, que se discute en los párrafos anteriores, junto con la energía asociada a las fuerzas de atracción entre los átomos y moléculas individuales). Al igual que otras cosas, cuanto más grande es un cuerpo de materia, más calor contiene. Eso contrasta con la temperatura del cuerpo, que, como aprendiste anteriormente, es una medida de la energía térmica de los átomos o moléculas individuales.

A diferencia del calor, la temperatura del cuerpo de la materia es independiente de lo grande que sea el cuerpo. Aquí hay un ejemplo cotidiano de esto: una olla pequeña de agua a casi 100°C en la estufa es mucho más caliente (es decir, tiene una temperatura mucho más alta) que el agua en su bañera casi llena a 40°C, pero el contenido de calor total del agua en la bañera es mucho mayor que el contenido de calor total del agua en la olla.

Se utilizan varias unidades para describir el calor. Los dos que son de uso común en la física son la caloría, que se define como la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrados. Por cierto, hay mucha confusión potencial sobre las calorías. Lo que definí anteriormente a veces se llama el gramo calórico, abreviado como “cal”. También está el kilogramo calórico (la cantidad de calor que se necesita para elevar un kilogramo de agua en 1°C), abreviado como “Cal”. Hay mil gramos de calorías (“pequeñas calorías”) en un kilogramo de calorías (“calorías grandes”). La caloría que se utiliza para medir el contenido energético de los alimentos, es decir, las calorías de la persona que hace la comida, es la misma que la caloría del kilogramo.

El calor también se mide en julios, la unidad de energía en el sistema mks (metro, kilogramo, segundo) de unidades en física. El joule se nombra en honor a James Prescott Joule, un físico británico (1818—1889), quien fue el primero en demostrar la equivalencia del calor y la energía mecánica mediante un experimento clásico en el que aumentó el contenido de calor del agua en una tina grande al agregar energía mecánica al agua agitando con una paleta. Un gramo de calorías equivale a unos 4.18 julios. Solo para confundirte aún más, en la vida cotidiana es común medir el calor en términos de unidades térmicas británicas (Btu). Un Btu es la cantidad de calor necesaria para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit (técnicamente, de 63° a 64°). Un Btu es aproximadamente igual a 250 gramos de calorías.

Por último, el concepto de capacidad calorífica es importante para cualquiera que piense en la superficie de la Tierra. La capacidad calorífica específica de algún material dado es la cantidad de calor que se tiene que agregar a una masa unitaria de esa materia para elevar su temperatura en una unidad. Esto podría expresarse, por ejemplo, como julios por kilogramo o como calorías por gramo. La importancia para la superficie de la Tierra es que las rocas, el suelo y las aguas de la superficie tienen sus propias capacidades caloríficas específicas, por lo que se necesitan ciertas cantidades de energía solar entrante para elevar su temperatura, y ciertas cantidades de radiación terrestre saliente de onda larga para disminuir su temperatura. El agua tiene una capacidad calorífica específica mucho mayor (estoy tentada a decir espectacularmente mayor) que los múltiples materiales sólidos de la superficie. Eso hace que las regiones dominadas por los océanos tengan un clima mucho más igualable, siendo iguales otras cosas, que regiones alejadas de los océanos.

Cómo se transporta el calor

Hasta el momento sólo hemos tratado con la radiación. El calor también se puede transportar por conducción, convección y advección.

La conducción de calor a través de un sólido es familiar para todos: el mango de la sartén en la estufa se calienta por conducción desde el cuerpo caliente de la sartén. Lo mismo ocurre con los líquidos y gases, aunque en ese caso la conducción suele verse abrumada por los procesos más eficientes de convección y advección, por los cuales el fluido, que transporta su calor, se mueve corporalmente de un lugar a otro.

El principio detrás de la conducción de calor es simple. El calor de un cuerpo es una manifestación de la agitación térmica de los átomos y moléculas constituyentes. Cuanto más caliente es el material, más energéticos son los movimientos térmicos de los átomos y moléculas. Cuando se impone una diferencia de temperatura de un lugar a otro sobre el cuerpo, se iguala la diferente “intensidad de agitación” de los átomos y moléculas de un lugar a otro, igualando así la temperatura. Decimos que el calor ha sido transportado de la región de mayor temperatura a la región de menor temperatura.

Convección es el término utilizado para la circulación de un fluido impulsado por diferencias de densidad provocadas por diferencias de temperatura. El ejemplo familiar es una habitación calentada por un radiador en un frío día de invierno (Figura 1-3): el calentamiento del aire por el radiador disminuye su densidad, provocando que suba, y a medida que es enfriado por las paredes frías de la habitación, se hunde y toma un camino de retorno al radiador, nuevamente para ser calentado. Las celdas de convección de este tipo son extremadamente importantes en los procesos atmosféricos, tanto en escalas pequeñas como grandes.

El movimiento horizontal del fluido de una región a otra, impulsado por diferencias horizontales en la presión atmosférica, se llama advección. Se puede sentir la importancia de la advección en un sombrío día de invierno cuando sopla un viento cálido del sur, derritiendo gran parte de la capa de nieve. Por supuesto, lo que un observador local percibe como advección podría ser solo una parte muy pequeña de alguna gigantesca célula de convección.

Figura 1-3. Una celda de convección.