4.3.1: El Balance de Radiación
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El balance de radiación del sistema terrestre es una contabilidad de los componentes entrantes y salientes de la radiación. Estos componentes se equilibran a lo largo de largos periodos de tiempo y sobre la Tierra en su conjunto. Si no lo fueran la Tierra se estaría enfriando o calentando continuamente. Sin embargo, en un corto período de tiempo, la energía radiante se distribuye de manera desigual sobre la Tierra.
Radiación de onda corta
El balance de radiación del sistema terrestre se representa en la Figura 4.18. (La radiación de onda corta es de color púrpura y la radiación de onda larga está en rojo). La radiación de onda corta del Sol penetra a través del espacio hasta el borde exterior de la atmósfera sin obstáculos por el vacío del espacio exterior. Una vez que la radiación solar comienza a penetrar a través de la atmósfera esta cantidad comienza a disminuir debido a la absorción y reflexión.
Alrededor del 30% de la radiación solar disponible en la parte superior de la atmósfera es reflejada o dispersa de regreso al espacio por partículas y nubes antes de que llegue al suelo. Los gases de la atmósfera son relativamente pobres absorbentes de la radiación solar, absorbiendo sólo alrededor del 20% de lo que está disponible en el borde exterior de la atmósfera. La radiación solar restante se abre paso a la superficie como radiación solar directa y difusa. La radiación solar directa (S) es radiación de onda corta capaz de penetrar a través de la atmósfera sin haber sido afectada por los constituyentes de la atmósfera de ninguna manera. La radiación difusa (D) es la radiación de onda corta que ha sido dispersada por los gases en la atmósfera. La dispersión es un proceso mediante el cual un haz de radiación se descompone en muchos rayos más débiles redirigidos en otras direcciones. En conjunto, la radiación directa y difusa de onda corta representa la radiación solar entrante total o insolación (K↓). En forma de ecuación:
K↓ = S+D
Una porción de la radiación solar entrante es absorbida por la superficie y una porción también se refleja. La proporción de luz reflejada desde una superficie es el albedo (a). Los valores de Albedo varían de 0 para no reflexión a 1 para la reflexión completa de la luz que golpea la superficie. El albedo puede expresarse como un porcentaje (albedo multiplicado por 100) que para algunos es más fácil de entender. Por ejemplo, el pasto tiene un albedo de aproximadamente .23. Esto quiere decir que de la radiación solar entrante que golpea el pasto, 23% de la misma se refleja. Por otro lado, las superficies altamente reflectantes como la nieve tienen un albedo superior a .87, o 87% de la luz solar se refleja.
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Tabla\(\PageIndex{1}\): Albidos de muestra |
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Superficie |
Albedo Típico |
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Asfalto fresco |
0.04 |
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Asfalto Desgastado |
0.12 |
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Suelo Desnudo |
0.17 |
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Bosque de coníferas |
0.08 |
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Hierba Verde |
0.25 |
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Nuevo Concreto |
0.55 |
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Nieve Fresca |
0.80 - 0.90 |
La cantidad de reflexión (K↑) viene dada por la siguiente ecuación:
K↑ = (S+D) a
La cantidad de reflexión depende básicamente del color de la superficie, las superficies más oscuras reflejan menos que las de colores más claros. Para algunas superficies, como el agua, el ángulo del sol afecta al albedo. Si has estado en un lago durante el día podrías haber notado que el sol se refleja más de la superficie cuando el sol está más bajo en el cielo que cuando está más directamente sobre la cabeza.
La radiación neta de onda corta es la diferencia entre la radiación de onda corta entrante y saliente expresada como:
K*= (S+D) - (S+D) a
Durante el día, K* es un valor positivo ya que la entrada siempre excede la radiación saliente de onda corta. Por la noche, K* es igual a cero ya que el Sol está por debajo del horizonte. (¡No, la luz de la luna no cuenta!)
Radiación de onda larga
La energía absorbida por la superficie es irradiada desde la Tierra como radiación terrestre de onda larga (L↑). La cantidad de energía emitida depende principalmente de la temperatura de la superficie. Cuanto más caliente sea la superficie, más energía radiante emitirá. Los gases de la atmósfera son relativamente buenos absorbentes de la radiación de onda larga y así absorben la energía emitida por la superficie. La radiación absorbida se emite en todas las direcciones, siendo la parte dirigida hacia abajo la contrarradiación atmosférica de onda larga (L↓).
La diferencia entre la radiación de onda larga entrante y saliente es la radiación neta de onda larga expresada como:
L* = L↓ - L↑
Recordemos que en condiciones normales la temperatura del aire disminuye con un incremento de altitud a través de la troposfera. Esto ocurre porque la tierra es la fuente inmediata de energía para calentar el aire por encima de ella. Sabiendo que el calor se transfiere de cuerpos más calientes a cuerpos más fríos, esto significa que la superficie normalmente está más caliente que el aire de arriba. Entonces, para la mayoría de las situaciones, la radiación neta de onda larga es un valor negativo ya que la Tierra emite más radiación de onda larga de la que gana del aire. Parte de esta radiación que se emite al espacio se pierde del sistema terrestre. Aquello que no se pierde en el espacio es absorbido por la atmósfera e impulsa el efecto “invernadero”.
En otras circunstancias, la onda larga neta puede ser cero o un número positivo. Si es cero la cantidad de radiación emitida por la superficie sería igual a la del aire. Esto es cierto cuando el aire y la superficie tienen la misma temperatura. Si el aire es más cálido que el suelo existe un valor positivo. Esto podría ocurrir con una pesada cubierta de nubes (las nubes son buenos absorbentes y radiadores de radiación de onda larga) o si una masa de aire caliente viaja sobre una superficie más fría.
Radiación neta
La radiación neta es la diferencia entre los componentes entrantes (es decir, S y L↓) y salientes de la radiación (S+D) a y L↑.
Q*= [(S+D) - (S+D) a] + L↓ - L↑
La radiación neta puede ser positiva, negativa o cero. La radiación neta es positiva cuando hay más radiación entrante que radiación saliente. Esto suele ocurrir durante el día cuando sale el sol y la temperatura del aire es la más cálida. Por la noche, la radiación neta suele ser un valor negativo ya que no hay radiación solar entrante y la onda larga neta está dominada por el flujo de onda larga terrestre saliente. La radiación neta es cero cuando los componentes entrantes y salientes están en perfecto equilibrio, lo que no ocurre con demasiada frecuencia.
Un radiómetro neto mide la radiación entrante y saliente de una capa de nieve alpina. Mediciones como esta ayudan a determinar el derretimiento de la nieve y la disponibilidad de agua para llenar embalses comunitarios como los cercanos a Boulder, CO.
Comprender la radiación neta y su distribución es fundamental para explicar muchos patrones geográficos de los componentes del sistema terrestre. La radiación neta es la energía radiante que está disponible para realizar trabajos dentro del sistema terrestre. Este trabajo se manifiesta de diversas maneras, desde calentar el aire, hasta calentar la superficie, hasta provocar que el agua se evapore.