Equilibrio térmico de la Tierra

La Tierra, para mantenerse térmicamente estable a lo largo del tiempo debe ser capaz de evacuar, en término medio, toda la energía recibida en forma de radiación. Existen unos mecanismos reguladores que efectúan dicha tarea de diferentes maneras. De la energía solar que llega a la Tierra, en forma de radiación de onda corta, casi la mitad es reflejada de nuevo al espacio por las nubes, la superficie y el aire. El calor que logra alcanzar la Tierra es devuelto por las noches al espacio, en forma de radiación de onda larga. Sin embargo, ciertos gases como el vapor de agua y el anhídrido carbónico reflejan parte de esta radiación de nuevo a la superficie.

La atmósfera se calienta desde abajo de acuerdo con la característica diatérmica del aire, y no desde arriba como a primera vista podría pensarse; esto explica que se produzca un descenso de temperatura en la troposfera a medida que aumenta la altitud. La atmósfera irradia también calor hacia arriba del mismo modo que lo hace la Tierra, que se pierde en el espacio, y hacia abajo, siendo reabsorbido por ésta. Tales intercambios suponen la devolución al espacio de una cantidad de calor igual a la que efectivamente se recibe, hecho que permite mantener el equilibrio térmico del planeta.

Radiación térmica

Todo cuerpo a una temperatura T emite radiación siguiendo la Ley de Planck y teniendo una emisión máxima a una longitud de onda regulada por la Ley de Wien.

El Sol emite como un cuerpo negro a 5.900 K y el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0,15 (micrómetros o micras) y 4 micras, con un máximo a 0,475 micras. Su radiación se puede considerar de onda corta.

La Tierra emite también radiación térmica, pero siendo su temperatura mucho menor (aproximadamente 288 K) emite entre 3 y 80 micras y su máximo ocurre a 10 micras, por lo que su radiación puede considerarse como infrarroja o de onda larga.

Toda la superficie de la Tierra emite radiación pero la radiación solar sólo se recibe en la cara diurna. Por eso, la radiación solar incidente en la parte exterior de la atmósfera puede considerarse en promedio como:

Temperatura de equilibrio de la Tierra sin atmósfera

En una primera aproximación se puede decir que la emisión térmica de la superficie de la Tierra, , compensa la irradiación sobre la superficie de un disco terrestre, .

  • Si esto último fuera cierto se podría calcular fácilmente la temperatura media de la Tierra mediante la Ley de Stefan-Boltzmann . Suponiendo la Tierra un cuerpo negro y conociendo el valor de la constante solar (1367Wm-2) se efectúan los siguientes cálculos y se obtiene:
  • Naturalmente esto sería en condiciones ideales, es decir, siendo la Tierra un cuerpo negro sin atmósfera. En la realidad existen otros factores que ayudan o impiden la evacuación del calor recibido. En el cálculo anterior hay dos defectos. Parte de la energía solar es reflejada por la Tierra que es lo que se denomina albedo y esto disminuye la temperatura de la Tierra hecho por el cálculo anterior hasta -18 °C y parte de la energía radiada por la Tierra que tiene una longitud larga entre 3 y 80 micras es absorbido por los gases de efecto invernadero, calentando la atmósfera hasta la temperatura actual de 15 °C, bastante mayor a la calculada.
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