Componentes del Sistema Climático

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Componentes del Sistema Climático atmósfera hidrósfera criósfera continentes biósfera

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Componentes del Sistema Climático

atmósfera

hidrósfera

criósfera

continentes

biósfera

La atmósfera

Gas (* gases variables) Fórmula química Volumen en porcentaje

Nitrogeno N2 78.08% Oxigeno O2 20.95%

*Vapor deAgua H2O 0 a 4% Argón Ar 0.93%

*Dióxido de Carbono CO2 0.0360%Neón Ne 0.0018%Helio He 0.0005%*Metano CH4 0.00017%

Hidrogeno H2 0.00005%*Oxido nitroso N2O 0.00003%

*Ozono O3 0.000004%

Tabla 1 - Composición promedio de la atmósfera hasta una altitud de 25 km.

Desde un punto de visto de habitabilidad la atmósfera terrestre tiene varias funciones:

● sirve de sombrilla para resguardarnos de la luz solar● sirve como escudo de proteccion de rayos ultravioletas solares daninos● sirve como frazada que atrapa calor manteniendo a la superficie de la Tierra en condiciones habitables.

La atmósfera logra esto aun siendo una delgada capa de gases; si nuestro planeta fuera del tamaño de una manzana, la atmósfera sería tan ancha como la cáscara.

Nuestro comfort y seguridad dependen en particular de dos factores:● de la distancia Tierra-Sol ● de las interacciones entre los fotones de la luz solar y las moléculas de los gases que forman la atmósfera.

Esto aseguró temperaturas moderadas en superficie y la presencia de agua en forma líquida en la Tierra.

Comparemos con Marte y Venus

En Marte toda el agua está congelada y en Venus el agua evaporó y se escapó al espacio

La curva muestra la temperatura calculada si los planetas absorbieran toda la radiación solar; los círculos blancos la temperatura tomando en cuenta el efecto del albedo; los círculos negros la temperatura

observada.

Para determinar la temperatura de un planeta debido unicamente a su posicion respecto del Sol (independiente de su composicion atmosferica) invocamos la ley de conservacion de la energia. Esa ley nos dice, que en estado de equilibrio, el planeta absorbe y emite iguales cantidades de energia.

Si  el  flujo  de  energia  solar  por  unidad  de  área  es  S  y  el  planeta  tiene  radio  R, entonces la energía solar que recibe el planeta es 

Qs = R2S

La energía que irradia la Tierra está dada por la ley de Stefan Boltzman, o sea

Qt = 4R2 e4

En estado de equilibrio Qs = Qt, y nos permite calcular la temperatura de emisión Te:

Te = (S/4)1/4

Como la energía solar S disminuye con la distancia planeta­Sol, Te disminuye tal 

como muestra la curva en la figura anterior. 

AlbedoNotemos que la Te calculada teóricamente difiere de la T observada.

Para mejorar el modelo debemos tomar en cuenta que no toda la radiación que llega a la Tierra es absorbida, parte es reflejada.

La reflectividad de una superficie, su albedo, depende de su brillo.

La Tierra, principalmente debido a las nubes y a los hielos polares, refleja un 30% de la energía solar.

Marte refleja un 15%.

Venus refleja un 75% La alta reflectividad de Venus implica que únicamente el 25% de la energía solar es absorbida, aún cuando está mucho mas cerca del Sol que la Tierra.

Para calcular la temperatura de equilibrio de un planeta con cierto albedo  basta con modificar la radición solar absorbida por un factor (1­): 

Qs = (1­R2S

y la temperatura de emisión queda:

Te = [(1­S / 4]1/4

Considerando el efecto del albedo planetario la temperatura Te estimada es aún mas baja que la observada (circulos abiertos en la figura). 

Para Marte estas aproximaciones son muy buenas ya que tiene una atmósfera muy fina. 

No obstante para Venus y la Tierra nuestros cálculos son bastante malos. Que está faltando? 

Efecto invernadero

La atmósfera de un planeta puede actuar como frazada manteniendo el calor emitido por el planeta. 

Las observaciones representadas por los círculos negros en la figura corresponden a la temperatura de superficie de los planetas; los círculos blancos, basados en el balance energético descrito en la sección anterior, 

corresponden a condiciones más frías en el tope de la atmósfera. 

La diferencia entre ellos es una medida de cuan gruesa es la frazada, o sea cuan importante es el efecto invernadero en cada planeta. En ausencia de 

este efecto la temperatura de la Tierra sería ­18C, y no el valor actual +15C.

Te=-18C

Ts=15C Superficie

Tope de laatmosfera

La efectividad con la cual una atmósfera intercepta calor proveniente de la superficie depende de  su  composición,  de  su  concentración de gases  de efecto invernadero. 

Venus  tiene  un  efecto  invernadero  muy  grande  pues  su  atmósfera  está compuesta principalmente por dióxido de carbono (CO2). 

En  la  Tierra,  el  efecto  invernadero  depende  de  gases,  principalmente H2O,  CO2  y  CH4  presentes  en  concentraciones  muy  pequeñas  en  la atmósfera. Por ejemplo, CO2 representa un 0.036% de la atmósfera. 

Así  cualquier  emisión  antropogénica  de  CO2  por  las  actividades industriales  y  de  la  agricultura  es  capaz  de  cambiar  esta  proporción significativamente, alterando la composición atmosférica y la temperatura terrestre.

Esquema de efecto invernadero

S

G S

S

Vidrio - atmósfera

La atmósfera es transparente a la radiación solar S, que llega a la superficie.

Al calentarse la superficie, comienza a emitir radiación de onda larga G, que es absorbida por el vidrio.

El vidrio al calentarse comienza a emitir.

Para que el sistema esté en equilibrio el sistema tiene que emitir tante energía como recibe o sea que el vidrio debe emitir S hacia el espacio.

Como el vidrio está a T uniforme debe emitir S hacia abajo. Así, la superficie recibeuna radiación neta = 2S, lo cual mantiene una temperatura mayor.

Interacción de la luz con la atmósfera

El efecto invernadero depende de la composición atmósferica que deja pasar la radiación solar, pero absorbe la radiación terrestre.

El albedo terrestre depende de las nubes que como son blancas reflejan gran parte de la radiación solar. ¿Por qué son blancas si las gotitas que forman las nubes son transparentes?

Para entender estas características es necesario entender la naturaleza de la interacción entre la radiación y la atmósfera con mas detalle.

Dispersión de la luz

El experimento de Newton con un prisma mostró la descomposición de la luz blanca en un espectro de colores

de diferente longitud de onda.

Onda larga

Onda corta

¿Por qué el Sol es un disco amarillo en un cielo azul cuando se ve desde la Tierra, y un disco blanco sobre fondo negro desde la Luna?

La  respuesta  radica  en  la  interacción  de  la  luz  solar  con  las  partículas atmosféricas.  En  la  Luna  el  color  del  Sol  es  la  suma  de  los  colores  del arco iris, blanco, y el cielo no tiene color pues no existe luz que venga de ahí.  La  Tierra  es  diferente  pues  tiene  una  atmósfera  compuesta  por moléculas y partículas suspendidas que dispersan la luz.

En  regla  general,  cuanto  más  pequeña  es  la  partícula  con  respecto  a  la longitud  de  onda  menos  efecto  tiene.  Este  resultado,  dispersion  de Rayleigh, se puede expresar como

S ~ (2r / )4

donde S es la dispersion, r es el radio de la partícula y  la longitud de la onda.

Las  moléculas  que  componen  la  atmósfera  son  diminutas  respecto  a  la longitud de onda del rojo, pero no con respecto al azul. Por lo tanto, estas moléculas  dispersan  el  azul  pero  tienen  un  efecto  despreciable  sobre  el rojo; por eso es el cielo azul y el Sol se ve amarillento.

Al  atardecer,  el  Sol  se  ve  rojizo  pues  los  rayos  solares  deben  atravesar una capa mayor de atmósfera lo que hace que únicamente los rayos rojos sobrevivan.

AerosolesAdemás  de moléculas,  el  aire  tiene  aerosoles,  o  sea partículas  sólidas o líquidas  suspendidas  en el  aire  (polvo, gotas de agua,  cristales de hielo, polen, etc). 

Estos  aerosoles,  cuyo  tamaño  es  mucho  mayor  que  la  longitud  de  onda del espectro visible, tiene un efecto de dispersión de la luz independiente de la longitud de onda. O sea, dispersan todos los colores de la luz y por lo tanto aparecen como blancos. 

Una gota de agua sola no tiene mucho efecto, pero un conjunto grande de gotas, una nube, dispersa suficiente luz como para parecer blanca. 

Radiación y absorción de luz

Cuanto más caliente está un cuerpo mas corta es la longitud de onda del color predominante de la radiación que emite. El  Sol  (6000  K)  emite  predominantemente  ondas  cortas,  amarillas, mientras que la Tierra a una temperatura de 15 C (288 K) emite radiación infraroja. 

Por qué irradian los cuerpos? 

Cargas eléctricas que vibran producen radiación electromagnética. 

Si las cargas que estamos considerando son los electrones en los átomos que  constituyen  un  sólido,  entonces  la  radiación  tendrá  un  espectro contínuo de longitudes de onda (luz y calor). 

En el caso de un gas la radiación es mas simple; el gas sólo emite en un conjunto pequeño de longitudes de onda. Por ejemplo el gas sodio emite un  color  amarillo. Cada gas  tiene un  espectro determinado de  tal  forma que compuestos químicos en forma gaseosa pueden ser identificados por su espectro, es decir, los colores que irradian cuando se calientan. 

Kirchoff, en el siglo XIX descubrió que los gases absorben en las mismas longitudes de onda que emiten.

Ozono estratosféricoCuando  la  radiación  solar  atraviesa  la  atmósfera  encuentra  gases  que absorben algunas longitudes de onda, en particular el ozono que absorbe los  rayos  ultravioletas.  Esta  absorción  actúa  como  escudo  permitiendo que solo  radiación de  longitudes de onda mas  largas  (y por ende menos energéticos) lleguen a la superficie terrestre.

  

Destrucción del ozono

La radiación que llega a la superficie es absorbida, calentando la superficie la cual a su vez comienza a irradiar hacia la atmósfera. Esta radiación de onda larga es poco energética y no puede ionizar o fotodisociar moleculas, como sí podría la radiación ultravioleta. Pero causa que átomos o moléculas comiencen a rotar o vibrar más rápidamente.

Como  las  moléculas  y  átomos  pueden  sólo  estar  en  ciertos  estados (cuantizados), éstos sólo absorben radiación de ciertas longitudes de onda dependiendo del gas. Cuanto mas compleja es la molécula, mas modos de vibración,  rotación,  etc  tiene y por  lo  tanto  interacciona más  fácilmente con ondas de diversa longitud. (por ej. las moléculas triatómicas como el CO2, el vapor de agua H20 y el ozono O

3).

Por el contrario, moléculas diatómicas simples como el nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) sólo pueden interaccionar con la radiación ultravioleta que fotodisocia  y  ioniza  estos  gases  en  la  alta  atmósfera. Así,  los dos gases mas abundantes en la atmósfera no interaccionan con la radiación de onda larga emitida por la Tierra.

Los  gases  de  invernadero,  aquellos  que  interaccionan  con  la  radiación terrestre,  se  pueden  identificar  inspeccionando  el  espectro  de  radiacion que la Tierra manda al espacio. La figura muestra el espectro medido por un  satélite  cuando  pasaba  por  la  isla  de  Guam  en  el  océano  Pacífico tropical.  

Gases efecto invernadero

Curvas lisas: emision enausencia degases deinvernadero

Ventana atmosférica: cualquier incremento de gas que absorba en estas aumentará efecto invernadero considerablemente; ej: CFCs

Estructura vertical de la atmósferaSi  la  atmósfera  fuera  una  una  simple frazada transparente a la radiación solar y opaca  a  la  radiación  terrestre  la temperatura  debería  ser  máxima  en  la superficie  y  disminuir  con  la  altura.  En realidad  la  estructura  vertical  es  mucho mas  compleja  y  se  pueden  definir  capas donde  las  temperaturas  aumentan  y disminuyen alternadamente.

En  la  termosfera  (~200km)  la  radiación solar  mas  energética  es  absorbida  por  el N2 y el O2 los cuales son fotodisociados en el proceso. Los rayos ultravioletas que logran  pasar  la  termosfera  encuentran  la estratósfera,  nuestra  segunda  línea  de defensa,  donde  son  absorbidos  por  el ozono.