4.3.2: El Balance Energético
- Page ID
- 91862
La radiación neta disponible se utiliza para realizar trabajos en el sistema de la Tierra. El uso principal de esta energía está en el cambio de fase del agua (calor latente, LE), cambiando la temperatura del aire (calor sensible, H), y subsuperficie (calor del suelo, G) o,
Q* = H + LE + G
Aunque existen otros usos para la radiación neta como la fotosíntesis y la meteorización de las rocas, son los tres usos anteriormente declarados los que son los más importantes. LE, H y G implican transferencias de calor no radiativas. Es decir, la conducción o convección/advección son responsables de la transferencia de calor, no de radiación electromagnética.
Cuando se realiza el trabajo, como calentar el aire por encima de la superficie, hay una transferencia de energía (calor) de un lugar a otro. Para ilustrar la transferencia de energía utilizaremos flechas que apuntan lejos o hacia la superficie de la Tierra para indicar la dirección de la transferencia de calor. También usaremos signos positivos y negativos para indicar que se está agregando calor a, o quitando de un cuerpo. Siguiendo las convenciones de Sellers (1965) y Oke (1987), los flujos no radiativos dirigidos lejos de una superficie son positivos. Así, los valores positivos indican una pérdida de calor de la superficie mientras que los valores negativos indican una ganancia.
Transferencia de Calor Sensible (H)
El calor sensible es la energía térmica transferida entre la superficie y el aire cuando hay una diferencia de temperatura entre ellos. Un cambio de temperatura a lo largo de la distancia se denomina "gradiente de temperatura”. En este caso, se trata de un gradiente de temperatura vertical, es decir, entre la superficie y el aire de arriba. Sentimos la transferencia de calor sensible como una subida o bajada de la temperatura del aire. El calor se transfiere inicialmente al aire por conducción a medida que las moléculas de aire chocan con las de la superficie. A medida que el aire se calienta circula hacia arriba vía convección. Así, la transferencia de calor sensible se logra en un proceso de dos etapas. Debido a que el aire es un conductor de calor tan pobre, es la convección la forma más eficiente de transferir calor sensible al aire.
Cuando la superficie está más caliente que el aire de arriba, el calor se transferirá hacia arriba al aire como una transferencia de calor sensible positiva. La transferencia de calor eleva la temperatura del aire pero enfría la superficie. Si el aire es más cálido que la superficie, el calor se transfiere del aire a la superficie creando una transferencia de calor sensible negativa. Si el calor se transfiere fuera del aire, el aire se enfría y la superficie se calienta. Esta situación puede ocurrir por la noche cuando se pone el sol y no hay entrada de radiación solar. En este momento, el suelo se enfría debido a la emisión de onda larga y el aire directamente por encima de la superficie es más cálido.
Transferencia de Calor Latente (LE)
Cuando se agrega energía al agua cambiará de estado o fase. El cambio de fase de un líquido a un gas se llama evaporación. Si pudiéramos ver hasta el nivel molecular encontraríamos que el agua está compuesta por un racimo de moléculas de agua (H 2 O). Los racimos se unen entre sí mediante enlaces entre los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua. El calor agregado durante la evaporación rompe los enlaces entre los racimos creando moléculas individuales que escapan de la superficie como un gas. El calor utilizado en el cambio de fase de un líquido a un gas se denomina calor latente de vaporización. Decimos que es “latente” porque el calor se está almacenando en las moléculas. Las moléculas de agua liberan calor latente durante el proceso de condensación. No podemos sentir ni sentir el calor latente ya que no eleva la temperatura de las moléculas de agua.
Cuando se está produciendo la evaporación decimos que hay un flujo de calor latente positivo (transferencia). Un flujo de calor latente positivo (Figura\(\PageIndex{2}\)) se ilustra con una flecha apuntando hacia arriba lejos de la superficie de la tierra. Esto indica que la superficie está perdiendo energía al aire de arriba. La evaporación es un proceso de enfriamiento para una superficie porque la energía se elimina del agua a medida que las moléculas escapan de la superficie. Esto hace que la temperatura de la superficie disminuya. Probablemente hayas experimentado este enfriamiento cuando el agua o el sudor se evaporan de tu piel.
La condensación es el cambio de fase de un gas a un líquido. Durante el cambio de fase, el calor latente que se absorbió durante la evaporación se libera de la molécula de agua y se pasa al aire circundante. Durante este proceso el calor latente se convierte en calor sensible provocando un aumento en la temperatura del aire.
Cuando la radiación es absorbida por la Tierra elevará la temperatura de la superficie. Pero si la superficie es agua, parte de esa energía se utiliza en la evaporación en lugar de calentar el agua. En consecuencia, con iguales insumos de energía a las superficies de tierra y agua, la tierra se calentará más que el agua. Esta es una de las razones por las que es más fresco cerca de grandes cuerpos de agua.
Transferencia de calor a tierra (G)
El tercer mayor uso de la energía radiante es calentar el subsuelo de la Tierra. El calor se transfiere desde la superficie hacia abajo vía conducción. Al igual que en el caso de la transferencia de calor sensible, debe existir un gradiente de temperatura entre la superficie y el subsuelo para que se produzca la transferencia de calor. El calor se transfiere hacia abajo cuando la superficie está más caliente que el subsuelo (flujo de calor positivo a tierra). Si el subsuelo es más cálido que la superficie, entonces el calor se transfiere hacia arriba (flujo de calor negativo a tierra).
La transferencia de energía hacia y desde la superficie varía en el transcurso de un día. La figura\(\PageIndex{4}\) muestra las cantidades relativas y la dirección del flujo de energía durante el día y la noche para una superficie húmeda. Durante el día, la radiación neta es un valor positivo ya que la radiación entrante excede la radiación saliente permitiendo que la superficie gane energía. La energía se distribuye en las tres categorías principales de uso de energía, LE, H y G. Durante el día, la energía radiante disponible se utiliza para evaporar el agua en el aire, elevando la humedad del aire. El calor sensible se transfiere hacia arriba para calentar el aire por encima de la superficie. El calor también se conduce hacia el subsuelo. Por la noche los procesos se revierten. Por la noche sin radiación solar entrante hay más radiación saliente que entrante creando un valor negativo para la radiación neta. En estas circunstancias la superficie se enfría debido a una pérdida de energía y el calor se transfiere desde el aire hacia la superficie. A medida que el aire se enfría durante la noche la pérdida de energía permite que se produzca la condensación, siempre y cuando la humedad del aire esté en o cerca de la saturación. Observe que la flecha para el flujo de calor de tierra G apunta hacia arriba hacia la superficie. Esto indica que la energía que se había almacenado en el subsuelo durante el día ahora se conduce hacia la superficie. Esto ocurre ya que la superficie es más fría que la subsuperficie.
La figura\(\PageIndex{4}\) también muestra las diferencias entre cómo se utiliza la energía en lugares húmedos y secos. El agua está disponible en la superficie para evaporación y transferencia de calor latente al aire en lugares húmedos. Sin agua disponible, no se produce ninguna transferencia de energía latente, de ahí la ausencia de un flujo LE para la superficie seca. La mayor parte de la energía disponible, Q*, se asigna a la transferencia de calor sensible creando temperaturas cálidas del aire.
Investigue más sobre el balance energético “Profundizando: Balanzas Energéticas Locales” u omita y continúe leyendo.
Profundizando: Balanzas Energéticas Locales
West Palm Beach, Florida se encuentra en el clima cálido y húmedo tropical húmedo y seco (sabana). La variación anual de la radiación neta muestra un patrón típico de Q* estando en un máximo durante el verano y mínimo durante el invierno. La transferencia de calor latente (LE) es alta en West Palm Beach debido a la disponibilidad de agua cerca del océano. La transferencia de energía latente al aire es mayor durante el verano, que es el período más húmedo del año, y cuando la radiación neta es la más alta. El aire más cálido en verano puede contener más humedad y, por lo tanto, hay un gradiente de humedad más grande para impulsar la transferencia de calor latente. La variación anual de la transferencia de calor sensible está determinada por la radiación neta disponible y el gradiente de temperatura entre el aire y la superficie, así como el uso de energía para la transferencia de calor latente. Durante la primavera existe un gradiente de temperatura mayor entre la superficie y el aire de arriba. Durante el verano se producen abundantes precipitaciones proporcionando agua para la evaporación. Durante este periodo de tiempo, la transferencia de calor sensible disminuye a medida que la radiación neta se asigna a la evaporación y transferencia de calor latente.
En el otro extremo se encuentra Yuma, Arizona, un lugar cálido y seco típico del clima desértico de latitud media. La característica más notable de este lugar es la falta de transferencia de calor latente. Aunque aquí se dispone de una amplia radiación, hay poca agua para evaporarse. Casi toda la radiación neta se utiliza para la transferencia de calor sensible, lo que explica las condiciones calientes y secas en Yuma.
Entre estos extremos se encuentra Madison, WI que se encuentra en el clima continental húmedo de América del Norte. La transferencia de calor latente domina la mayor parte del año en este clima húmedo. La transferencia de calor sensible es especialmente alta cuando las temperaturas de la superficie y del aire son más diferentes. La transferencia de energía dentro y fuera del subsuelo es una amplitud mucho mayor dado que las grandes oscilaciones de temperatura que se experimentan en este clima.