El Sol es el objeto más brillante y más familiar del
cielo. La vida sobre la Tierra no sería posible sin él:
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Existe la comida que comemos debido a la luz solar que incide sobre las
plantas verdes y el combustible que quemamos proviene de esas plantas o
fue acumulado por ellas (en forma de carbón, petróleo o gas
natural) hace mucho tiempo.
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La Tierra probablemente no sería adecuada para la vida. La vida,
tal y como la conocemos, necesita agua y la Tierra es un planeta que la
tiene: pero sin el Sol, la Tierra sería una roca helada en el espacio.
Aún ahora la Tierra es, probablemente, el único lugar de
nuestro sistema solar adecuado para la vida: el agua de Venus y Mercurio
se convertiría en vapor y la de Marte o la de los planetas más
distantes se congelaría.
Cómo se genera la luz solar
El Sol no tiene una superficie claramente definida como la de la Tierra,
porque está demasiado caliente para ser algo más que gas.
Mejor dicho, lo que nos parece como su superficie es una capa de la atmósfera
solar, la "fotosfera" (esfera de luz) que emite luz ("irradia") debido
a su alta temperatura.
Todas las sustancias calientes irradian luz, desde la visible a la que
está más allá del espectro visible, en la gama de
la "infrarroja" (IR "debajo del rojo") y de la "ultravioleta" (UV "encima
del violeta"). Esta es la forma en que producen luz una pieza de hierro
al rojo o el filamento de una lámpara. Cuanto más caliente
el objeto, más brilla y más alejado estará su color
del rojo. Inversamente, el color de un objeto caliente (si es denso) nos
dice lo caliente que está. En el caso del Sol, el color de la fotosfera
indica una temperatura de 5780 Kelvin (grados Celsius medidos desde el
cero absoluto), unos 5500° C.
Calentando la Tierra
La luz solar transporta energía, que calienta la Tierra y es la
fuerza impulsora que está detrás de nuestro clima y tiempo
atmosférico. Cuando el suelo se calienta por la luz, comienza a
irradiar, pero estando demasiado frío hasta para emitir en el rojo
pálido, su radiación es en el rango infrarrojo. Una cazuela
caliente o una plancha caliente también irradian en el rango IR y su mano
puede fácilmente sentir esa radiación (como calor) si la acerca sin tocar.
Debido a que el suelo no está tan caliente como el Sol, su emisión
es mucho más débil. Sin embargo, el suelo, por todos
lados, emite radiación en todas las direcciones del medio
cielo visible, mientras solo recibe radiación desde el pequeño
disco solar, que cubre un pequeño círculo de 0.5 grados de
diámetro. Por esto, la energía total que recibe cualquier
superficie deberá ser igual a la energía total que reenvía
al espacio.
¡Piense sobre esto! Si todo el calor de la Tierra proviene del exterior
(despreciando el calor interno) y si mantiene una temperatura estable,
no existe otra forma. Naturalmente solo la temperatura media es estable.
Realmente el suelo se calienta solo durante el día, pero irradia
al exterior día y noche, por eso las noches, cuando la energía
solo sale y casi ninguna entra, son más frías que los días.
El "Efecto Invernadero"
El flujo real de calor se complica por la atmósfera, la cual tiene tres fuertes efectos:
- Las nubes en la atmósfera reflejan algo de la luz del Sol antes de llegar al suelo, reduciendo su calentamiento. Este proceso, difícil de estimar, ha sido monitoreado al medir el "brillo de la Tierra", el débil brillo de la parte oscura de la Luna que tan solo se aprecia al inicio de su creciente.
- La atmósfera absorbe la luz infraroja (IR) irradiada desde el suelo y así retrasa el escape del calor al espacio exterior, manteniendo el suelo más tibio de lo que de otra manera pudiera estar.
- El aire puede fluir, y así llevar su calor de un lugar a otro. Eso es lo que produce nuestro clima.
El tercer proceso es un gran tema, hecho aún más grande por la influencia del vapor de agua, el cual produce lluvia, huracanes y otros fenómenos interesantes, así como dos secciones adicionales que tratan el tema, comenzando aquí.
El segundo proceso (el cual nos mantiene tibios) es más fuerte que el primero (el cual reduce el calentamiento), de manera que el efecto neto es como una cobija, y la atmósfera ayuda a mantener a la Tierra más tibia de lo que de otra manera sería. Esto se llama "efecto invernadero," debido a que el mismo proceso opera en los invernaderos que se utilizan para cultivar vegetales en climas fríos. Un invernadero está cerrado y cubierto mediante paneles de vidrio, los cuales permiten que la luz entre, pero absorben la luz IR reflejada por el suelo, y así mantienen el invernadero tibio.
Otra molécula, responsable de un efecto importante aún cuando solamente una pequeña parte de ella está presente, es el ozono, una variante de la molécula de oxígeno--O3, en lugar del común O2. Este se produce a grandes alturas por la acción del la luz solar sobre el oxígeno ordinario y su concentración máxima está a una altura de los 25 kilómetros. También es un gas de invernadero, pero más importante, absorbe la luz ultravioleta (UV) del Sol, la cual puede ocasionar quemaduras en la piel y lastimar los ojos. El ozono encontrado cerca del suelo y que forma parte de la contaminación urbana del aire proviene de un proceso completamente diferente.
El ozono de las grandes alturas se destruye mediante la presencia del cloro, y recientemente se ha atraído mucha atención a la pérdida de ozono debido al cloro producido en los gases refrigerantes que se pierden, de los tipos preferidos hasta hace poco para su uso en los aires acondicionados, refrigeradores, botes en aerosol y también en algunas aplicaciones industriales. Estos gases son muy, muy estables y pueden persistir en la atmósfera por muchos años. Desafortunadamente, tarde o temprano sus moléculas logran llegar a la estratósfera, donde la luz ultravioleta es capaz de dividirlas y desprender cloro. Debido al daño de estos gases a la capa de ozono, su uso está siendo descontinuado.
El efecto invernadero ayuda a mantener la Tierra a temperaturas cómodas para la vida, pero esta es una situación con un balance muy delicado. En el último medio siglo, la quema de combustibles fósiles, carbón y petróleo, ha incrementando contínuamente el contenido atmosférico de CO2. La temperatura promedio de la Tierra también se ha incrementado, y este incremento se cree que es debido al aumento de CO2.
Exploración Adicional:
Existen muchos detalles adicionales en la red, desgraciadamente los más detallados también son los más difíciles. Algunos de ellos:
Sobre el equilibrio de la radiación de la Tierra con muchos archivos.
Clima
Al absorber los rayos infrarrojos (al igual que por su contacto con el suelo)
el aire se calienta. Cuando se expande el aire, cada metro cúbico
(o pie cúbico) pesa menos que antes del calentamiento. Donde el
calentamiento es más acusado, el aire caliente en más ligero
que el aire frío que lo rodea y tiende a ascender: las aves planeadoras
y los pilotos de planeadores buscan esas "corriente térmicas" que
les permiten ascender con ellas. Esta flotación es el proceso
básico responsable del clima
El aire que se eleva se expande, y gas al expanderse se enfría, es por lo cual que las cimas de las montañas son más frías. Finalmente, se llega a una altura en donde no hay suficiente aire restante en la parte superior para evitar que la radiación IR se escape al espacio. El aire entonces se enfría por radiación y deja de elevarse, produciendo una capa de la atmósfera relativamente estable conocida como la estratósfera. Al subir por la estratósfera, el aire está más tibio debido a la absorción de la luz ultravioleta por el ozono, y este calor adicional ayuda a mantenerlo aún más estable.
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| Un ciclón visto desde el espacio. |
Justo debajo del límite de la estratosfera ("tropopausa"), el
aire que se ha enfriado es forzado hacia abajo de nuevo por el aire caliente
ascendente. El resultado es una circulación de aire, ascendiendo
caliente y retornando frío, haciéndolo una y otra vez en
un movimiento conocido como convección. En un día
frío de invierno esta convección también ocurre en
los hogares: cerca de las ventanas pobremente aisladas el aire se enfría
y desciende (como lo muestra la llama de una vela, pero ¡cuidado
con la llama!), mientras que dentro de la habitación se eleva de
nuevo. La región entre el suelo y la estratosfera donde tiene lugar
la convección y el tiempo se conoce como tropósfera.
La luz solar también evapora el agua de los océanos, de
los lagos y los ríos y de las plantas verdes. La energía
se invierte en convertir el agua líquida en vapor y por lo tanto
el aire húmedo tiene más energía almacenada
que el aire caliente.
La capacidad del aire para retener vapor de agua depende en gran medidad de la temperatura
y es menor en el aire frío (al igual que se puede disolver menos
azúcar en el agua fría que en la caliente). Cuando el aire
caliente húmedo se eleva, se expande y se enfría y como no puede
retener tanta agua como antes, el exceso la expulsa: inicialmente en diminutas
gotitas en nubes y luego, si el enfriamiento se hace más drástico,
como gotas de lluvia.
El aire restante es más seco y caliente, calentado por la conversión
del vapor de agua en líquido y la restitución de la energía
a su entorno, y el aire más caliente es más capaz de irradiar
su calor hacia el espacio. Así es como el agua, las nubes y la lluvia
juega el principal papel en el transporte del calor solar desde el suelo
hacia el espacio y ayuda a crear los complejos patrones del tiempo y el
clima.
Exploración adicional
Una lista maestra muy extensa de sitios en la red relativos al clima y lo océanos: Viento y Mar
Estrictamente para los que les gusta la historia: el artículo original de 1896 en el cual Svante Arrhenius propuso el efecto invernadero. Note que el dióxido de carbono era llamado entonces "ácido carbónico."
Antes de que Arrhenius expusiera ese artículo, le tomó un año el calcular los efectos esperados de un incremento en el dióxido de carbono. Esa historia está narrada en "La Tierra de los Soles de Medianoche" por Fred Pearce, p. 50-51 en New Scientist, 25 Enero de 2003.
Dos libros recientes también discuten la historia del efecto invernadero:
- Greenhouse: The 200-Year Story of Global Warming (Invernadero: La Historia de 200 años de Calentamiento Global),
por Gale E. Christianson, Constable/Walker 1999
- Historical Perspectives on Climate Change (Perspectivas Históricas del Cambio Climático),
por James Rodger Fleming, Oxford Univ. Press, 1998.
Ambos libros fueron revisados por Robert J. Charlson en Nature, vol. 401, p. 741, 21 de Octubre de 1999.
Preguntas de Usuarios:
¿Está el espacio exterior frío o caliente?
Pregunta relacionadas: ¿Cómo se calienta tanto la alta atmósfera?.
*** ¿Qué tan alto se extiende la alta atmósfera?.
*** ¡Esta página está en conflicto con el sitio de la red "Bad Greenhouse"!
Una discusión opcional, más detallada: (S-1A) El Tiempo Atmosférico y la Atmósfera
Próxima Etapa: (S-2) Nuestra Visión
del Sol
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