Energía natural en la Tierra
Casi toda la energía que impulsa la vida, el tiempo, el clima y los procesos naturales en la superficie terrestre provienen del sol. La vida en la Tierra no sería posible sin él. Y esto no significa sólo la vida en la playa.
Sólo una diminuta fracción de la energía que tiene influencia en nuestro ambiente, se origina en la parte interior líquida de la Tierra. Esta energía, la cual está todavía presente desde la formación de nuestro planeta, es utilizada, por ejemplo, en compresores geotérmicos. Durante erupciones volcánicas la energía se muestra de una manera natural. El sistema del clima y el cambio climático provocado por el hombre no tienen ninguna influencia en los procesos dentro de la Tierra, tampoco en erupciones volcánicas ni en terremotos. Si personas mueren debido a terremotos o erupciones volcánicas, el cambio climático no es responsable de ello.
La radiación del Sol
El Sol transfiere su energía por medio de ondas electromagnéticas como la luz. Pero a menudo pensamos que la luz (que podemos ver con nuestros ojos.) es la única parte de la radiación emitida por el sol.
El Sol también transfiere energía aún más energética que la luz visible, como la radiación ultra violeta (UV). Demasiada luz UV daña las células de plantas, de humanos y de animales. Afortunadamente, la capa de ozono en una altitud de 15-40 km absorbe una importante fracción de esta radiación sumamente energética y peligrosa.
La figura muestra el espectro original de la radiación solar idealizada (amarillo), en el tope superior de la atmósfera (naranja) y en la superficie terrestre después de ser modificada por la atmósfera (multicolor, negro). Las áreas negras representan la luz, que no es visible por nuestros ojos. La energía de la radiación disminuye de izquierda a derecha.
El Sol también emite la radiación térmica con una energía más baja que la luz visible, la cual llamamos luz infrarroja o radiación infrarroja. Nosotros la sentimos como ‘calor’ en la piel, semejante a la radiación invisible del calor de un plato caliente.
La radiación del Sol corre a una velocidad increíble de 300.000 km/s (velocidad luz) por el espacio y recorre una distancia de 150 millones de kilómetros del Sol a la Tierra en aproximadamente 8 minutos.
Cantidad de energía transferida
Las cantidades de energía son medidas en Joules o Julios. El Sol transfiere en cada segundo la cantidad de 1367 J en cada metro cuadrado del diámetro de la Tierra. Esto corresponde a una potencia de 1367 W (vatios o watts) [1 Vatio = 1 Joule por segundo]. Este valor recibe el nombre de "constante solar".
Por dos razones esta energía no alcanza continuamente cada metro cuadrado de la superficie terrestre. Las razones son: 1) la geometría de la Tierra 2) la influencia de la atmósfera.
La superficie terrestre "S" se aproxima a la superficie de una esfera con radio "r" y su área es:
El área que es golpeada verticalmente por el Sol es sólo la sección circular transversal "D" de esta esfera con un área de:
1) La Geometría de la Tierra: La Tierra no es un disco frente al Sol sino una esfera. Por lo tanto, el sol no irradia a la Tierra verticalmente sino que en la mayoría de las regiones lo hace con un cierto ángulo. Cuando es de noche de un lado de la Tierra, no hay irradiación alguna. La sección transversal de una esfera, que es golpeada verticalmente por el sol, es sólo un cuarto de su superficie. Por lo tanto alcanza sólo ¼ x 1367 Vatios = 342 vatios por metro cuadrado de la atmósfera superior.
La energía transferida por los rayos paralelos del sol a la Tierra es la misma, pero dependiendo del ángulo de incidencia, el área impactada es diferente. Así mismo ocurre con la atmósfera, de tal manera que los rayos llegan a ser más débiles mientras más grande sea la porción de atmósfera.
Pero, en comparación, sólo cerca de 0.06 W/m2 viene como radiación térmica del interior de la tierra. Esto es más de 2000 veces menos que el poder del Sol.
La distribución de la energía
Sabemos que el clima cercano al ecuador es más cálido que en el Polo Norte o en el Polo Sur. Nosotros también sabemos que en todas partes de la Tierra el verano es más cálido que el invierno. La energía del Sol no se esparce uniformemente en todas las regiones del mundo. También cambia con la temporada, debido a que el eje de la Tierra esta inclinado a un ángulo de aproximadamente 23,3 °.
La luz solar y la Tierra
El Sol es el objeto más brillante y más familiar del cielo. La vida sobre la Tierra no sería posible sin él:
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.
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.
La radiación solar es la fuente principal de energía para la biosfera de la Tierra, y la fuerza impulsora directa de la circulación atmosférica y oceánica.
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.
La energía generada en los procesos de fusión en el núcleo interno se transporta a través de procesos radiactivos en la zona de radiación y por convección en la zona de convección a la fotosfera, que es lo que vemos. La fotosfera es a menudo llamada la "superficie" del Sol, y es la región de la cual se emite la energía solar hacia el espacio interplanetario, tiene un espesor de 500 km.
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.
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 infrarroja (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 continuamente 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.
Gracias
ResponderEliminarGracias me sirvio muchisimo
ResponderEliminarMe sirve
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