15.2: Temperatura de la Tierra

Debido a que la Luna no tiene mucha atmósfera, las temperaturas diurnas en la luna rondan los 224ºF y las temperaturas nocturnas rondan los -298 °C. Eso es un asombroso 522 grados de cambio entre el lado de la luz y el lado oscuro de la Luna [2]. En esta sección se describe cómo la atmósfera terrestre está involucrada en la regulación de la temperatura de la Tierra.

Presupuesto Energético de la Tierra

La radiación solar que llega a la Tierra desde el Sol es relativamente uniforme. La energía (o calor) irradia desde la superficie de la Tierra y la atmósfera inferior de regreso al espacio. Este flujo de energía entrante y saliente es el presupuesto energético de la Tierra. Para que la temperatura de la Tierra sea estable durante largos períodos de tiempo, la energía entrante y la energía saliente tienen que ser iguales en promedio para que el presupuesto energético en la parte superior de la atmósfera se equilibre. Alrededor del 29 por ciento de la energía solar entrante que llega a la cima de la atmósfera se refleja de regreso al espacio por nubes, partículas atmosféricas o superficies reflectantes del suelo como el hielo marino y la nieve. Alrededor del 23 por ciento de la energía solar entrante es absorbida en la atmósfera por el vapor de agua, el polvo y el ozono. El 48 por ciento restante pasa a través de la atmósfera y es absorbido en la superficie. De esta manera, alrededor del 71 por ciento de la energía solar entrante total es absorbida por el sistema de la Tierra [3].

Figura\(\PageIndex{1}\): Radiación solar entrante filtrada por la atmósfera.

Cuando esta energía llega a la Tierra, los átomos y moléculas que componen la atmósfera y la superficie absorben la energía y aumentan de temperatura. Si este material sólo pudiera absorber energía, entonces la temperatura de la Tierra sería como el nivel del agua en un fregadero sin desagüe donde el grifo corre continuamente. El fregadero eventualmente se desbordaría. Sin embargo, la temperatura no sube infinitamente porque la Tierra no solo está absorbiendo la luz solar. La superficie de la Tierra también está irradiando energía térmica (calor) de regreso a la atmósfera. Si la temperatura de la Tierra sube, el planeta emite una cantidad creciente de calor al espacio y este es el mecanismo primario que impide que la Tierra se caliente continuamente [3].

Figura\(\PageIndex{1}\): Parte de la energía térmica infrarroja (calor) irradiada desde la superficie a la atmósfera es atrapada por los gases en la atmósfera.

Los gases de efecto invernadero actúan como una manta gigante para la Tierra. Cuantos más gases de efecto invernadero haya en la atmósfera, entonces más calor saliente será retenido por la Tierra y menos de esta energía térmica infrarroja (calor) se disipa al espacio. El efecto invernadero se discute con más detalle en la siguiente sección.

Los factores que pueden afectar el presupuesto energético de la Tierra no se limitan a los gases de efecto invernadero. Los aumentos en la irradiancia solar (más energía solar) pueden aumentar la energía recibida por la tierra. Sin embargo, los aumentos asociados a esto son muy pequeños [3; 4; 5]. Además, menos hielo y nieve cubre la tierra y el Mar Ártico aumenta la cantidad de luz solar absorbida por la tierra y el agua (ver animación a continuación). La reflectividad de la superficie terrestre se llama albedo. Además, los aerosoles (partículas de polvo) producidos por la quema de carbón, motores diesel y erupciones volcánicas pueden reflejar más radiación solar entrante y realmente enfriar el planeta. El efecto de los aerosoles antropogénicos es débil en el sistema climático pero la producción antropogénica de gases de efecto invernadero no es débil. Así, el efecto neto es el calentamiento debido a la mayor cantidad de gases antropogénicos de efecto invernadero asociados a la combustión de combustibles fósiles [6; 7; 8].

Figura\(\PageIndex{1}\): Efecto neto de los factores que influyen en el calentamiento.

Un efecto que cambia el planeta puede desencadenar mecanismos de retroalimentación que amplifican o suprimen el efecto original. Un mecanismo de retroalimentación positiva es cuando la salida o efecto mejora el estímulo o causa original. De esta manera, aumenta el efecto posteriormente. Por ejemplo, la pérdida de hielo marino en el Polo Norte hace que esa zona sea menos reflectante (albedo reducido). Esto permite que el aire superficial y el océano absorban más energía en un área que alguna vez estuvo cubierta por hielo marino [3]. Otro ejemplo es el permafrost derretimiento. El permafrost es suelo permanentemente congelado ubicado cerca de las latitudes altas, principalmente en el hemisferio norte. A medida que el clima se calienta, más permafrost se descongela y los depósitos espesos de materia orgánica se exponen al oxígeno y comienzan a oxidarse (o decairse). Este proceso de oxidación libera dióxido de carbono y metano que a su vez provoca más calentamiento que derrite más permafrost, etc.

Un mecanismo de retroalimentación negativa ocurre cuando la salida o efecto reduce el estímulo o causa original [3]. Por ejemplo, a corto plazo, se espera que más dióxido de carbono (CO ₂) provoque que el crecimiento de las marquesinas forestales y absorba más CO ₂. Un ejemplo de largo plazo es el aumento de dióxido de carbono (CO ₂) en la atmósfera, se espera que cause más ácido carbónico y meteorización química, lo que resulta en el transporte de bicarbonato disuelto y otros iones a los océanos que luego se almacenan en sedimentos.

Composición de la Atmósfera

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Figura\(\PageIndex{1}\): Composición de la atmósfera

La composición de la atmósfera es un componente clave de la regulación de la temperatura del planeta. La atmósfera es 78% de nitrógeno (N ₂), 21% de oxígeno (O ₂), 1% de argón (Ar) y menos de 1% para todos los demás gases conocidos como componentes traza. Los componentes traza incluyen dióxido de carbono (CO ₂) vapor de agua (H ₂ O), neón, helio y metano. El vapor de agua es muy variable, principalmente basado en la región, pero se ha estimado que es aproximadamente 1% de la atmósfera [9]. Los gases traza incluyen varios gases de efecto invernadero importantes, que son los gases responsables del calentamiento y enfriamiento de la planta. A escala geológica, la fuente de CO ₂ atmosférico son los volcanes y el sumidero del CO ₂ es el proceso de meteorización que entierra CO ₂ en sedimentos. Los procesos biológicos suman y restan CO ₂ de la atmósfera [10].

Los gases de efecto invernadero atrapan el calor en la atmósfera y calientan el planeta. Tienen poco efecto sobre la radiación solar entrante (que es radiación de onda corta) pero absorben parte de la radiación infrarroja saliente (radiación de onda larga) que se emite desde la Tierra, evitando así que se pierda en el espacio. Más gases de efecto invernadero en la atmósfera absorben más calor de onda larga y hacen que el planeta sea más cálido.

Figura\(\PageIndex{1}\): Gases comunes de efecto invernadero

Los gases de efecto invernadero más comunes son vapor de agua (H ₂ O), dióxido de carbono (CO ₂), metano (CH ₄) y óxido nitroso (N ₂ O). El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más abundante pero su abundancia en la atmósfera no cambia mucho con el tiempo. El dióxido de carbono es mucho menos abundante que el vapor de agua, pero el dióxido de carbono está siendo agregado a la atmósfera por actividades humanas como la quema de combustibles fósiles, los cambios en el uso de la tierra y la deforestación. Además, los procesos naturales como las erupciones volcánicas agregan dióxido de carbono [3], pero a un ritmo insignificante en comparación con las contribuciones antropogénicas.

Hay dos razones importantes por las que el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante. Primero, el dióxido de carbono tiene un largo tiempo de residencia en la atmósfera (lo que significa que no desaparece por cientos de años). Segundo, la mayor parte del dióxido de carbono adicional es de origen “fósil”. Eso quiere decir que se libera quemando combustibles fósiles. Por ejemplo, el carbón es un combustible fósil. El carbón está hecho de material vegetal creado por la fotosíntesis hace millones de años y almacenado en el suelo. La fotosíntesis toma la luz solar más dióxido de carbono y crea los carbohidratos de las plantas. Esto ocurre a lo largo de millones de años, como un proceso lento que acumula carbono fósil en rocas y sedimentos. Cuando quemamos carbón, liberamos instantáneamente la energía solar almacenada y el dióxido de carbono fósil que tardó millones de años en acumularse en primer lugar.

Ciclo de Carbono

La Tierra tiene dos ciclos de carbono importantes. Una es la biológica, en la que los organismos vivos —en su mayoría plantas— consumen dióxido de carbono de la atmósfera para hacer sus tejidos a través de la fotosíntesis, y luego, después de morir, ese carbono se libera de nuevo a la atmósfera cuando se descomponen a lo largo de varios años o décadas [11]. La siguiente es la ecuación general para la fotosíntesis.

CO ₂ + H ₂ O + luz solar → azúcar + O ₂

El segundo es el ciclo geológico del carbono. Una pequeña porción de este carbono del ciclo biológico se entierra en rocas sedimentarias durante la lenta formación del carbón, como pequeños fragmentos y moléculas en esquisto rico en orgánicos, y como conchas y otras partes de organismos marinos en piedra caliza. Esto luego se convierte en parte del ciclo geológico del carbono, un ciclo que en realidad involucra a la mayoría del carbono de la Tierra, pero que opera solo muy lentamente [11].

Ciclo del carbono.

A continuación se presenta una lista de reservorios de almacenamiento para el ciclo geológico del carbono.

• La materia orgánica de las plantas se almacena en turba, carbón y permafrost durante miles a millones de años.
• La meteorización de minerales de silicato convierte el dióxido de carbono atmosférico en bicarbonato disuelto, que se almacena en los océanos durante miles a decenas de miles de años.
• El carbono disuelto es convertido por los organismos marinos en calcita, que se almacena en rocas carbonatadas durante decenas a cientos de millones de años.
• Los compuestos de carbono se almacenan en sedimentos durante decenas a cientos de millones de años; algunos terminan en depósitos de petróleo.
• Los sedimentos que contienen carbono se transfieren por subducción al manto, donde el carbono puede almacenarse durante decenas de millones a miles de millones de años.
• Durante las erupciones volcánicas, el dióxido de carbono se libera de nuevo a la atmósfera, donde se almacena durante años a décadas [11].

Durante gran parte de la historia de la Tierra, el ciclo geológico del carbono se ha equilibrado, siendo el carbono liberado por el vulcanismo aproximadamente a la misma velocidad que es almacenado por los otros procesos. Bajo estas condiciones, el clima se mantiene relativamente estable. Durante algunos tiempos de la historia de la Tierra, ese equilibrio se ha alterado. Esto puede ocurrir durante tramos prolongados de vulcanismo superior al promedio. Un ejemplo es la erupción de las Trampas Siberianas hace alrededor de 250 millones de años, lo que parece haber provocado un fuerte calentamiento climático a lo largo de unos pocos millones de años. Un desequilibrio de carbono también se asocia con eventos significativos de construcción de montañas. Por ejemplo, la Cordillera del Himalaya se ha estado formando desde alrededor de 40 Ma y a lo largo de ese tiempo —y aún hoy— la tasa de meteorización en la Tierra se ha mejorado porque esas montañas son tan altas y la cordillera es tan extensa. La meteorización de estas rocas —lo que es más importante la hidrólisis del feldespato— ha dado como resultado el consumo de dióxido de carbono atmosférico y la transferencia del carbono a los océanos y a los minerales carbonatados del fondo oceánico. La caída constante de los niveles de dióxido de carbono en los últimos 40 millones de años, que contribuyó a las glaciaciones del Pleistoceno, es atribuible en parte a la formación de la Cordillera del Himalaya. Otra forma no geológica de desequilibrio del ciclo del carbono está ocurriendo hoy en una escala de tiempo muy rápida. Estamos en el proceso de extraer grandes volúmenes de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) que se almacenaron en rocas durante los últimos cientos de millones de años, y convertir estos combustibles en energía y dióxido de carbono. Al hacerlo, estamos cambiando el clima más rápido de lo que nunca ha ocurrido en el pasado [11].

Efecto Invernadero

El efecto invernadero es un proceso natural por el cual la atmósfera calienta las temperaturas superficiales. Sin una atmósfera, la Tierra tendría enormes fluctuaciones de temperatura entre el día y la noche como la luna. Las temperaturas diurnas serían cientos de grados Fahrenheit por encima de lo normal y las temperaturas nocturnas estarían cientos de grados por debajo de lo normal. El efecto invernadero se produce por la presencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera.

El efecto invernadero lleva el nombre de un proceso similar que calienta un invernadero o un automóvil en un caluroso día de verano. La luz del sol pasa a través del cristal del invernadero o automóvil, llega al interior y cambia a calor. El calor se irradia hacia arriba y queda atrapado por las ventanas de vidrio. El efecto invernadero para la Tierra se puede explicar en tres pasos.

Paso 1: La radiación solar del sol está compuesta principalmente por radiación ultravioleta (UV), luz visible e infrarroja (IR). Los componentes de la radiación solar incluyen partes con una longitud de onda más corta que la luz visible, como la luz ultravioleta, y partes del espectro con longitudes de onda más largas, como IR y otras. Parte de la radiación es absorbida, dispersada o reflejada por los gases atmosféricos, pero aproximadamente la mitad de la radiación solar finalmente llega a la superficie de la Tierra.

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Figura\(\PageIndex{1}\): Radiación entrante absorbida, dispersada y reflejada por los gases atmosféricos.

Paso 2: La radiación visible, UV e IR, que llega a la superficie se convierte en energía térmica. La mayoría de los estudiantes han experimentado la luz solar calentando una superficie, como una superficie pavimentada, un patio o una terraza. Cuando esto ocurre, la superficie más cálida emite así más radiación térmica, que es un tipo de radiación IR. Entonces, hay una conversión de visible, UV e IR a solo IR térmico. Este IR térmico es lo que experimentamos como calor. Si alguna vez ha sentido el calor que irradia de un fuego o una estufa caliente, entonces ha experimentado IR térmico.

Paso 3: IR térmico irradia desde la superficie terrestre de regreso a la atmósfera. Pero como es IR térmico en lugar de UV, visible o IR regular, este IR térmico queda atrapado por los gases de efecto invernadero. En otras palabras, la energía del sol sale de la Tierra a una longitud de onda diferente a la que entra, por lo que la energía del sol no se absorbe en la atmósfera inferior cuando entra energía, sino cuando la energía está saliendo. Los gases que suelen hacer este bloqueo en la Tierra incluyen dióxido de carbono, vapor de agua, metano y óxido nitroso. Más gases de efecto invernadero en la atmósfera dan como resultado que se atrapa más IR térmico. Explora este enlace externo a una animación interactiva sobre el efecto invernadero de la Academia Nacional de Ciencias.

Referencias

2. Wolpert, S. Los nuevos mapas de temperatura de la NASA proporcionan una 'forma completamente nueva de ver la luna'. (2009). Disponible en: http://newsroom.ucla.edu/releases/new-nasa-temperature-maps-provide-102070. (Accedido: 23 de febrero de 2017)

3. Lindsey, R. Presupuesto de Clima y Energía de la Tierra: Artículos de fondo. (2009). Disponible en: http://earthobservatory.nasa.gov. (Accedido: 14 de septiembre de 2016)

4. Fröhlich, C. & Lean, J. La irradiancia total del Sol: Ciclos, tendencias e incertidumbres relacionadas con el cambio climático desde 1976. Geofías. Res. 25, 4377—4380 (1998).

5. Lean, J., Beer, J. & Bradley, R. Reconstrucción de la irradiancia solar desde 1610: Implicaciones para el cambio climático. Geofías. Res. 22, 3195—3198 (1995).

6. Pachauri, R. K. et al. Cambio Climático 2014: Informe de Síntesis. Contribución de los Grupos de Trabajo I, II y III al Quinto Informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático. (IPCC, 2014).

7. Oreskes, N. El consenso científico sobre el cambio climático. Ciencia 306, 1686—1686 (2004).

8. Levitus, S. et al. Calentamiento antropogénico del sistema climático de la Tierra. Ciencia 292, 267—270 (2001).

9. Universidad Estatal de Carolina del Norte. Composición de la Atmósfera. (2013). Disponible en: http://climate.ncsu.edu/edu/k12/.AtmComposition. (Accedido: 12 de septiembre de 2016)

10. Lacis, A. A., Hansen, J. E., Russell, G. L., Oinas, V. & Jonas, J. El papel de los gases de efecto invernadero de larga duración como principal botón de control LW que gobierna la temperatura global de la superficie para el cambio climático pasado y futuro. Tellus B Chem. Phys. Meteorol. 65, 19734 (2013).

11. Earle, S. Libro de texto REA de geología física. (Campus BC Inaugurado, 2015).