7.4: ¿Cómo es el balance energético de la atmósfera real?
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El balance energético de la atmósfera real incluye no sólo la energía de radiación sino también la energía asociada con la evaporación y la convección (ver figura abajo). No obstante, la atmósfera sigue estando muy cerca del balance energético total en cada nivel.
Primero, repasemos cada conjunto de flechas para ver qué está pasando. La irradiancia solar promedio en la parte superior de la atmósfera es de 340.2 W m —2, que representaremos como 100 unidades y luego compararemos todas las demás cantidades de energía con ella.
- Más a la izquierda dos columnas de flechas amarillas: De la irradiancia solar que entra a la atmósfera, la mayor parte de la irradiancia solar ultravioleta, alrededor de 3 unidades, es absorbida en la estratosfera y la calienta, dejando 97 unidades para llegar a la troposfera. 17 unidades, la mayoría a longitudes de onda apenas más largas que la solar longitudes de onda visibles, son absorbidas en la troposfera y otras 30 unidades son dispersadas de regreso al espacio por objetos brillantes, como nubes, aerosoles no absorbentes, nieve, hielo y la superficie terrestre, dejando 50 unidades para ser absorbidas en la superficie de la Tierra.
- Primera columna de flechas rojas hacia arriba: La superficie de la Tierra emite irradiancia infrarroja ascendente de 110 unidades, de las cuales sólo 12 unidades se transmiten a través de la troposfera hacia la estratosfera, y 10 de estas 12 unidades se transmiten posteriormente a través de la estratosfera al espacio.
- Segunda columna de flechas rojas hacia arriba: La troposfera irradia 89 unidades hacia abajo y 60 unidades hacia arriba; 54 de estas 60 unidades escapan al espacio. A diferencia de nuestro sencillo modelo de dos capas en el que asumimos que la troposfera emitía igualmente hacia arriba y hacia abajo, la troposfera real es más compleja y la radiación descendente supera la radiación ascendente debido a la distribución vertical de la temperatura (con la temperatura disminuyendo con la altura a través de la troposfera) , vapor de agua y dióxido de carbono.
- Tercera columna de flechas rojas hacia arriba: La estratosfera irradia 5 unidades hacia abajo y 6 unidades hacia arriba.
- Columnas azules más a la derecha: Hay un significativo transporte vertical de energía no radiacional en la superficie. De las 29 unidades netas de irradiancia absorbidas en la superficie de la Tierra, 24 unidades entran en calor latente. El calor latente cuantifica la cantidad de irradiancia necesaria para evaporar el agua líquida (principalmente agua de mar) en la superficie de la Tierra a vapor de agua. Este vapor de agua es transportado hacia arriba por convección para formar nubes, que libera esta energía a la troposfera, calentándola. Las 5 unidades restantes de irradiancia neta absorbidas por la superficie se convierten en calor sensible. El calor sensible es la conducción de energía entre la superficie más cálida de la Tierra y el aire troposférico más frío, calentando así el aire y provocando que se vuelva menos denso (mayor temperatura virtual) que su aire circundante, seguido de la convección, que mueve el aire más cálido hacia arriba.
En cada nivel, la cantidad de energía que baja debe ser igual a la cantidad de energía que sube. Así, en la parte superior de la estratosfera, 100 unidades cruzan a la estratosfera desde el espacio, y para equilibrar esta energía descendente hay 30 unidades de irradiancia solar reflejada hacia arriba al espacio y 70 unidades de radiación infrarroja emitida hacia arriba que la hace al espacio. En la parte superior de la troposfera, el derribo de 97 unidades de irradiancia solar y 5 unidades de irradiancia infrarroja se equilibra con la surgencia de 30 unidades de irradiancia solar reflejada y 72 unidades de irradiancia infrarroja. En la superficie de la Tierra, los flujos descendentes de irradiancia solar (50 unidades) e irradiancia infrarroja (89 unidades) equilibran los flujos ascendentes de 110 unidades de irradiancia infrarroja, las 24 unidades de calor latente y las 5 unidades de calor sensible.
En realidad, la superficie y la atmósfera de la Tierra no están en un simple equilibrio radiativo, sino que están en equilibrio radiativo-convectivo. Además, la atmósfera se encuentra en equilibrio radiativo-convectivo globalmente, pero no localmente (ver figura abajo). La irradiancia solar absorbida es mucho mayor cerca del ecuador que los polos porque ahí es donde la superficie es más perpendicular a la irradiancia solar entrante. El transporte de energía neta radiativa y convectiva hacia arriba también es mayor en el ecuador (porque la superficie de la Tierra es más cálida allí que en los polos). En general, existe una significativa energía de radiación entrante neta entre 30 o S y 30 o N de latitud y una energía neta de radiación saliente hacia el polo de 30 o en ambos hemisferios.
Esta distribución desigual de la radiación entrante y saliente da como resultado un flujo de energía desde los trópicos hacia los polos (ver figura a continuación). Desata fuerzas que hacen que el aire cálido se mueva hacia el polo y el aire frío se mueva hacia el ecuador. El movimiento hacia los polos del aire más cálido, aunado a la fuerza Coriolis que se curva moviendo el aire hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, provoca la estructura eólica básica de la atmósfera, y por lo tanto su clima. Hablaremos más sobre estas fuerzas y el movimiento resultante en las próximas lecciones cuando discutamos el movimiento atmosférico (cinemática) y las fuerzas (dinámicas) que causan el movimiento que resulta en el clima.
Una serie de diapositivas te muestra el balance de energía vertical en el sistema terrestre y se puede encontrar en este sitio que representa el balance energético.