8.1:8.1 Presupuesto de Calor de la Tierra

El saldo de calor entrante y saliente en la Tierra se conoce como su presupuesto de calor. Al igual que con cualquier presupuesto, para mantener condiciones constantes se debe equilibrar el presupuesto para que el calor entrante sea igual al calor saliente. El presupuesto de calor de la Tierra aparece a continuación (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Presupuesto de calor de la\(\PageIndex{1}\) Tierra. De toda la radiación solar que llega a la Tierra, 30% se refleja de regreso al espacio y 70% es absorbida por la Tierra (47%) y la atmósfera (23%). El calor absorbido por la tierra y los océanos se intercambia con la atmósfera a través de la conducción, la radiación y el calor latente (cambio de fase). El calor absorbido por la atmósfera es eventualmente irradiado de vuelta al espacio (PW).

De toda la energía solar que llega a la Tierra, alrededor del 30% se refleja de nuevo al espacio desde la atmósfera, las nubes y la superficie de la Tierra. Otro 23% de la energía es absorbida por el vapor de agua, las nubes y el polvo en la atmósfera, donde se convierte en calor. Poco menos de la mitad (47%) de la radiación solar entrante es absorbida por la tierra y el océano, y esta energía calienta la superficie de la Tierra. La energía absorbida por la Tierra regresa a la atmósfera a través de tres procesos; conducción, radiación y calor latente (cambio de fase) (Figura\(\PageIndex{1}\)).

La conducción es la transferencia de calor a través del contacto directo entre la superficie y la atmósfera. El aire es un conductor térmico relativamente pobre (lo que significa que es un buen aislante), por lo que la conducción representa solo una pequeña parte de la transferencia de energía entre la Tierra y la atmósfera; igual a aproximadamente 7% de la energía solar entrante.

Todos los cuerpos con una temperatura superior a cero absoluto (-273 ^o C) irradian calor en forma de radiación infrarroja de onda larga (ver el espectro electromagnético en la sección 6.5). La Tierra calentada no es la excepción, y alrededor del 16% de la energía solar original se irradia de la Tierra a la atmósfera (Figura\(\PageIndex{1}\)). Parte de esta energía radiada se disipará al espacio, pero una cantidad significativa de calor será absorbida por la atmósfera. Esta es la base del efecto invernadero (Figura 8.12). En el efecto invernadero, la radiación solar de onda corta pasa a través de la atmósfera y llega a la superficie de la Tierra donde se absorbe. Cuando la radiación es reemitida por la Tierra, ahora está en forma de radiación infrarroja de longitud de onda larga, que no pasa fácilmente a través de la atmósfera. En cambio, esta radiación infrarroja es absorbida por la atmósfera, particularmente por los gases de efecto invernadero como el CO ₂, el metano y el vapor de agua. Como resultado, la atmósfera se calienta. Sin el efecto invernadero, la temperatura promedio en la Tierra sería de unos -18 ^o C, que es demasiado fría para el agua líquida, ¡y por lo tanto la vida como la conocemos no podría existir!

Figura\(\PageIndex{2}\) Una explicación del efecto invernadero (Por US EPA [Public domain], vía Wikimedia Commons).

Existe una gran preocupación por el efecto invernadero en todo el mundo; no por la presencia del efecto en sí, sino porque el efecto se está intensificando, provocando el cambio climático o el calentamiento global. Desde la Revolución Industrial, las concentraciones atmosféricas de los principales gases de efecto invernadero, particularmente el CO ₂ y el metano, han aumentado drásticamente debido a la industrialización, la quema de combustibles fósiles y la deforestación. Al mismo tiempo, ha habido un rápido calentamiento del clima global; las concentraciones de CO ₂ han aumentado más de 25% y la temperatura global ha aumentado 0.5 ^o C en el último siglo. A menos que se frene la producción de estos gases de efecto invernadero, esta tendencia de calentamiento rápido puede continuar, con consecuencias potencialmente nefastas. Consulte la sección 8.5 para obtener información detallada sobre las causas y efectos del cambio climático.

La vía más grande para el intercambio de calor entre la tierra u océanos y la atmósfera es el calor latente transferido a través de cambios de fase; el calor liberado o absorbido cuando el agua se mueve entre formas sólidas, líquidas y de vapor (ver sección 5.1). Se debe agregar calor al agua líquida para que se evapore, y cuando se forme vapor de agua, ese calor se elimina del océano y se transfiere a la atmósfera junto con el vapor de agua. Cuando el vapor de agua se condensa en lluvia, ese calor se devuelve luego a los océanos. El mismo proceso ocurre con la formación y el derretimiento del hielo. El calor es absorbido por el hielo cuando se derrite, y el calor se libera cuando se forma el hielo, y estos cambios de fase transfieren calor entre los océanos y la atmósfera.

Para completar el presupuesto de calor, el calor que es absorbido por la atmósfera ya sea directamente de la radiación solar o como resultado de la conducción, radiación y calor latente, eventualmente se irradia de regreso al espacio (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Calentamiento Diferencial de la Superficie de la Tierra

Si la Tierra fuera una superficie plana orientada hacia el sol, cada parte de esa superficie recibiría la misma cantidad de radiación solar entrante. Sin embargo, debido a que la Tierra es una esfera, la luz solar no se distribuye equitativamente sobre la superficie de la Tierra, por lo que diferentes regiones de la Tierra se calentarán en diferentes grados. Este calentamiento diferencial de la superficie de la Tierra se produce por varias razones. Primero, debido a la curvatura de la Tierra, la luz solar solo cae perpendicularmente a la superficie en el centro de la esfera (regiones ecuatoriales). En cualquier otro punto de la Tierra, el ángulo entre la superficie y la radiación solar entrante es menor a 90 ^o. Debido a esto, la misma cantidad de radiación solar entrante se concentrará en un área menor en el ecuador, pero se extenderá sobre un área mucho mayor en los polos (Figura\(\PageIndex{3}\)). Así, los trópicos reciben luz solar más intensa y una mayor cantidad de calentamiento por unidad de área que las regiones polares.

Figura\(\PageIndex{3}\) Debido a la curvatura de la Tierra, la misma cantidad de luz solar se extenderá sobre un área mayor en los polos en comparación con el ecuador. Por lo tanto, el ecuador recibe luz solar más intensa, y una mayor cantidad de calor por unidad de área (Por ThebiologyPrimer (Obra propia) [CC0], vía Wikimedia Commons).

El ángulo en el que la luz solar golpea la Tierra contribuye al calentamiento diferencial de la superficie de una manera adicional. En los polos, debido al ángulo en el que la energía solar golpea la superficie, mayor parte de la luz se apartará de la superficie y la atmósfera y se reflejará de nuevo en el espacio. En el ecuador, el ángulo directo con el que la luz llega a la superficie da como resultado que se absorba más energía que se refleje. Por último, los polos reflejan más energía solar que otras partes de la Tierra porque los polos tienen un albedo más alto. El albedo se refiere a la reflectividad de una superficie. Las superficies más claras son más reflectantes que las superficies más oscuras (que absorben más energía), y por lo tanto tienen un albedo más alto. En los polos, el hielo, la nieve y la capa de nubes crean un albedo mucho mayor, y los polos reflejan más y absorben menos energía solar que las latitudes más bajas. A través de todos estos mecanismos, los polos absorben mucha menos radiación solar que las regiones ecuatoriales, razón por la cual los polos son fríos y los trópicos son muy cálidos.

Pero hay un giro interesante en esta distribución global del calor. Las regiones tropicales en realidad reciben más calor radiante del que emiten, y los polos emiten más calor del que reciben (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por lo tanto, debemos esperar que los trópicos se vayan calentando continuamente, mientras que los polos se vuelven cada vez más fríos. Sin embargo, este no es el caso; entonces, ¿qué está pasando? En lugar del calor que queda aislado cerca del ecuador, alrededor del 20% del calor de los trópicos se transporta a los polos antes de que se emita. Este transporte de energía a gran escala modera los climas en ambos extremos. Los mecanismos para esta transferencia de calor son la circulación oceánica y atmosférica, tema de la siguiente sección.

Figura\(\PageIndex{4}\) El equilibrio entre la ganancia de calor y la pérdida de calor en función de la latitud. El exceso de calor recibido cerca del ecuador se transfiere hacia los polos (Centro Nacional de Oceanografía (NOC). Licencia Creative Commons 3.0 sin portar).

La idea de calentamiento diferencial de la superficie terrestre es fundamental para comprender una amplia gama de procesos oceanográficos y atmosféricos. Este calentamiento diferencial conduce a la convección atmosférica, que crea vientos, que soplan sobre el agua y crean olas y corrientes superficiales, y estas corrientes influyen en la distribución de nutrientes, lo que promueve la producción primaria, que luego soporta el resto del ecosistema oceánico. ¡Así que hay mucho cabalgando en el simple hecho de que llega más luz a los trópicos que a los postes!