10.5: Energía y Transferencia de Masa en la Atmósfera
- Page ID
- 69726
El flujo de energía que llega a la atmósfera terrestre desde el sol como luz solar es de 1.340 vatios/m2.Esto significa que un metro cuadrado de área perpendicular a los rayos solares entrantes sobre la satmosfera de la Tierra está recibiendo energía solar a una velocidad suficiente para alimentar 13 bombillas de 100 vatios más una bombilla de 40 vatios, suficiente para alimentar una plancha eléctrica o un secador de pelo a lo alto! Se trata de una enorme cantidad de energía. Como se muestra en la Figura 10.3, parte de la energía entrante llega a la superficie de la Tierra, parte es absorbida en la atmósfera, calentándola, y otra se dispersa de regreso al espacio. La energía que ingresa principalmente como luz a una intensidad máxima de 500 nanómetros en la región visible debe salir, lo que hace como radiación infrarroja (con intensidad máxima a aproximadamente 10 micrómetros (μm), principalmente entre 2μm y 40μm). Las moléculas de agua, dióxido de carbono, metano y otras especies menores en la atmósfera absorben parte del infrarrojo saliente, que eventualmente se irradia al espacio. Esta absorción temporal de radiación infrarroja calienta la atmósfera, un efecto invernadero.
La fracción de radiación electromagnética del sol que es reflejada por la superficie de la Tierra varía con la naturaleza de la superficie. El porcentaje reflejado es muy importante porque determina qué tan efectiva es la radiación entrante en el calentamiento de la superficie y se expresa como albedo. La capa superior del suelo negro recién arado tiene un albedo muy bajo de solo alrededor de 2.5%. En contraste, el albedo de una cobertura de nieve fresca es de aproximadamente 90%. La antrosfera afecta al albedo. Una de las formas en que esto se hace es cultivando tierras, volteando pasto albedo relativamente alto y cubriéndolo con suelo negro expuesto que absorbe muy fuertemente la energía luminosa. Otra forma es cubrir grandes áreas con pavimento asfáltico, que refleja mal la luz solar.
El mantenimiento del balance térmico de la Tierra para mantener las temperaturas dentro de límites propicios para la vida es muy complejo y poco comprendido. Los registros geológicos muestran que en tiempos pasados, la Tierra a veces era relativamente cálida y que en otras ocasiones hubo edades de hielo en las que gran parte de la superficie de la Tierra estaba cubierta por hielo de un kilómetro o dos de espesor. Las diferencias en la temperatura promedio de la Tierra entre estos extremos y las condiciones climáticas relativamente templadas que ahora disfrutamos fueron solo cuestión de unos pocos grados. También se sabe que las erupciones volcánicas masivas y casi con certeza los impactos de grandes asteroides han provocado un enfriamiento de la atmósfera que ha durado un año o más. Como se abordó más adelante en este capítulo, ahora existe la preocupación de que las emisiones antropogénicas de gases, particularmente del dióxido de carbono de la combustión de combustibles fósiles, puedan estar teniendo un efecto de calentamiento sobre la atmósfera.
La Tierra recibe energía solar más directamente en el ecuador, por lo que las regiones ecuatoriales son más cálidas que las regiones más al norte y al sur Una fracción significativa de esta energía se aleja del ecuador. Esto se hace en gran parte por convección en la que el calor es transportado por masas de aire. Dicho calor puede estar en forma de calor sensible a partir de la energía cinética de moléculas de aire que se mueven rápidamente (cuanto más rápidas sean sus velocidades promedio, mayor será la temperatura). El calor también puede transportarse como calor latente en forma de vapor de agua. El calor de vaporización del agua es de 2,259 julios por gramo (J/g) lo que significa que se requieren 2,259 julios de energía térmica para evaporar un gramo de agua sin elevar su temperatura. Este es un valor muy alto, lo que significa que la evaporación del agua del océano por la energía solar que cae sobre ella en regiones más cálidas absorbe una enorme cantidad de calor para formar vapor de agua. Este vapor puede transportarse a otra parte y condensarse para formar precipitaciones. La energía calorífica liberada eleva la temperatura de la atmósfera circundante.
Meteorología
El movimiento de las masas de aire, la formación de nubes y la precipitación en la atmósfera están cubiertos por la ciencia de la meteorología. Los fenómenos meteorológicos tienen un fuerte efecto sobre la química atmosférica por procesos como los siguientes:
• Movimiento de contaminantes del aire de un lugar a otro, como el movimiento de dióxido de azufre contaminante del aire desde el valle del río Ohio de Estados Unidos a Nueva Inglaterra y el sur de Canadá, donde forma lluvia ácida.
• Condiciones bajo las cuales las masas de aire contaminante estancadas permanecen en su lugar para que se puedan formar contaminantes secundarios, como el smog fotoquímico.
• Precipitación, que puede transportar compuestos ácidos de la atmósfera a la superficie de la Tierra en forma de lluvia ácida
Los procesos químicos atmosféricos pueden influir en fenómenos meterológicos. El ejemplo más obvio de esto es la formación de gotas de lluvia alrededor de las partículas contaminantes en la atmósfera.
El clima se refiere a variaciones de relativamente corto plazo en el estado de la atmósfera expresadas por la temperatura, la cobertura de nubes, la precipitación, la humedad relativa, la presión atmosférica y el viento. El clima es impulsado por la redistribución de la energía en la atmósfera. Un aspecto particularmente importante de esta redistribución es la energía liberada cuando se forma la precipitación. Esta energía puede ser enorme debido al alto calor de vaporización del agua. Como ejemplo, la energía térmica de la luz solar y de las masas calientes de aire se convierte en calor latente por la evaporación del agua del océano frente a la costa oeste de África. Los vientos predominantes conducen masas de aire cargadas de vapor de agua hacia el oeste a través del océano. La lluvia se forma, liberando la energía del calor latente del agua y calentando la masa de aire. La masa caliente de aire que resulta se eleva, creando una región de baja presión en la que el aire fluye de manera circular. Esto puede resultar en la formación de una masa de aire en forma de huracán que puede afectar a Puerto Rico, Cuba, Florida u otras áreas a miles de millas de la zona donde el agua se evaporó originalmente del océano.
Una manifestación muy obvia del clima consiste en gotas muy pequeñas de agua líquida que componen nubes. Estas gotitas muy pequeñas pueden fusionarse en las condiciones apropiadas para formar gotas de lluvia lo suficientemente grandes como para caer de la atmósfera. Las nubes pueden absorber la radiación infrarroja de la superficie de la Tierra, calentando la atmósfera, pero también reflejan la luz visible, lo que tiene un efecto de enfriamiento. Las partículas contaminantes son fundamentales en la formación de nubes. Uno de los tipos más activos de contaminantes formadores de nubes son los ácidos fuertes atmosféricos, particularmente H 2 SO 4,
La falta de viento y corrientes de aire a menudo ocurre bajo condiciones de inversión de temperatura en las que las masas de aire más cálidas se superponen a las más frías (ver Figura 10.1). Como se muestra en esta figura, las características topográficas, como una cordillera que limita el movimiento horizontal del aire, pueden hacer que la inversión de temperatura sea mucho más efectiva para capturar masas de aire contaminadas. Estas condiciones ocurren en la cuenca de Los Ángeles señalada por la formación fotoquímica de smog.