Balance Energético Sol-Tierra

El equilibrio de energía del Sol - Tierra representa el equilibrio entre la energía que la Tierra recibe del sol y la energía que la Tierra irradia al espacio exterior después de haber sido distribuida en los cinco componentes del sistema climático de la tierra y haber alimentado así el llamado motor de calor de la tierra. Este sistema consiste en agua de la tierra, hielo, atmósfera, corteza rocosa y todos los seres vivos. La cuantificación de las variaciones en estas cantidades es necesaria para modelar con precisión el clima de la Tierra. La radiación absorbida se distribuye de manera desigual en el planeta, porque el sol calienta las regiones ecuatoriales más que las regiones polares. "La atmósfera y el Océano trabajan incansablemente para compensar los desequilibrios de calentamiento solar a través de la evaporación del agua superficial, la convección, la precipitación, los vientos y la circulación oceánica." La Tierra está muy cerca de estar en equilibrio, radiativo, la situación en la que la entrada de energía solar se equilibra por un flujo igual de calor al espacio; bajo esta condición, las temperaturas globales se mantienen relativamente estables. A nivel mundial, durante el año, el sistema terrestre (tierras superficiales, océanos y atmósfera) absorbe y luego irradia al espacio un promedio de aproximadamente 340 vatios de energía solar por metro cuadrado. Cualquier cosa que aumente o disminuya la cantidad de energía que entra o sale cambiará las temperaturas globales en consecuencia. Sin embargo, el balance energético de la Tierra y los flujos de calor dependen de muchos factores, como la composición atmosférica (principalmente aerosoles y gases de efecto invernadero), el albedo (reflectividad) de la superficie, la cubierta de nubes, la vegetación y los diferentes tipos de uso de la tierra. Las mediciones más recientes muestran que la salida total de radiación infrarroja es menor que la radiación solar entrante total. La diferencia se acumula en el sistema terrestre como energía interna, causando aumentos en la temperatura media de la superficie y un derretimiento progresivo del hielo. Los cambios en la temperatura de la superficie debido al balance energético de la tierra no ocurren instantáneamente, debido a la inercia de los océanos y la criosfera. El flujo de calor neto se atenúa principalmente al convertirse en parte del calor contenido en el océano, hasta que se establece un nuevo estado de equilibrio entre la radiación y la respuesta climática.

A pesar de las enormes transferencias de energía dentro y fuera de la Tierra, mantiene una temperatura relativamente constante porque, en general, hay poca ganancia o pérdida neta: La Tierra emite al espacio a través de la radiación, atmosférica y terrestre (movida a longitudes de onda de la electromagnética más largas), aproximadamente la misma cantidad de energía que recibe a través de la insolación (todas las formas de radiación electromagnética). Para cuantificar el balance térmico de la Tierra, es necesario asegurarse de que la insolación recibida en la parte superior de la atmósfera sea de 100 unidades (100 unidades = aproximadamente 1. 360 vatios por metro cuadrado frente al sol), como se muestra en el diagrama de Sankey. Conocido como el albedo de la Tierra, alrededor de 35 unidades se reflejan en el espacio: 27 Desde arriba de las nubes, 2 desde áreas cubiertas de nieve y hielo, y 6 desde otras partes de la atmósfera. Las 65 unidades restantes son absorbidas: 14 en la atmósfera y 51 en la superficie terrestre. Estas 51 unidades son irradiadas al espacio en forma de radiación terrestre: 17 irradiadas directamente al espacio y 34 absorbidas por la atmósfera (19 por calor latente de condensación, 9 por convección y turbulencia, y 6 absorbidas directamente). Las 48 unidades absorbidas por la atmósfera (34 unidades por radiación de la Tierra y 14 por insolación) son finalmente irradiadas al espacio. Estas 65 unidades (17 desde la tierra y 48 Desde la atmósfera) equilibran las 65 unidades absorbidas por el sol para mantener la ganancia neta de energía de la Tierra en cero. La cantidad total de energía recibida por segundo en la parte superior de la atmósfera de la Tierra (Toa) se mide en vatios y está dada por la constante solar multiplicada por la sección transversal de la Tierra. Dado que el área de la superficie de una esfera es cuatro veces el área de su sección transversal (es decir, el área de un círculo), el flujo TOA promedio es una cuarta parte de la constante solar y, por lo tanto, es de aproximadamente 340 W / m2. Dado que la absorción varía según la ubicación y las variaciones diurnas, estacionales y anuales, los números citados son promedios a largo plazo, calculados típicamente a partir de múltiples mediciones satelitales. De los ~ 340W / m2 de radiación solar recibida de la Tierra, un promedio de ~ 77W/m2 se refleja en el espacio por las nubes y la atmósfera, y ~ 23w/m2 se refleja por el albedo Superficial, dejando ~ 240w / m2 de energía solar en entrada al balance energético de la Tierra. Esto le da a la Tierra un albedo neto promedio de 0.29. El flujo de calor geotérmico desde el interior de la Tierra se estima en 47 teravatios y se divide aproximadamente por igual entre el calor radiogénico y el calor residual de la formación de la Tierra. Esto equivale a 0.087 vatios/m 2, lo que representa solo el 0.027% del balance energético total de la Tierra en la superficie, dominado por 173. 000 teravatios de radiación solar entrante. La producción de energía humana es aún menor, estimada en 18 TW. La fotosíntesis tiene un efecto mayor: la eficiencia fotosintética convierte hasta el 2% de la luz solar que afecta a las plantas en biomasa. De 100 a 140tw (aproximadamente 0.08%) de la energía inicial es capturada por la fotosíntesis, dando energía a las plantas. Otras fuentes menores de energía son generalmente ignoradas en estos cálculos, incluyendo la acumulación de polvo interplanetario y viento solar, luz de estrellas distintas del sol, y radiación térmica del espacio. En el pasado, Joseph Fourier había argumentado en un documento a menudo citado como el primero sobre el efecto invernadero, que la radiación en el espacio profundo era significativa. La radiación de onda larga generalmente se define como la energía infrarroja que sale del planeta. Sin embargo, inicialmente la atmósfera absorbe partes o la cubierta de nubes puede reflejar la radiación. Generalmente, la energía térmica es transmitida a la atmósfera por las capas superficiales del planeta (Tierra y océano), transportada a través de evapotranspiración y flujos de calor latente o procesos de conducción / convección. En última instancia, la energía se irradia al espacio en forma de radiación infrarroja de onda larga. Observaciones recientes de satélites indican precipitaciones adicionales, apoyadas por un aumento de la energía que sale de la superficie a través de la evaporación (el flujo de calor latente), compensando los aumentos en el flujo de ondas largas en la superficie.

Si el flujo de energía entrante no es igual al flujo de energía saliente, el calor neto es agregado o perdido por el planeta (si el flujo entrante es mayor o menor que el flujo saliente, respectivamente). Un desequilibrio debe manifestarse en el calentamiento o enfriamiento de la Tierra (dependiendo de la dirección del desequilibrio), y el océano, siendo el reservorio térmico más grande de la Tierra, es el principal candidato para las mediciones. Las mediciones del desequilibrio energético de la Tierra proporcionadas por los flotadores Argo detectaron una acumulación de calor oceánico (OHC). El desequilibrio estimado se midió durante un mínimo solar intenso de 2005-2010 de 0.58 ± 0.15 w / m2. Este nivel de detalle no puede inferirse directamente de las mediciones de los flujos de energía superficial, que combinaban una incertidumbre del orden de ±17W/m2. Varios satélites miden indirectamente la energía absorbida e irradiada por la Tierra y por deducción del desequilibrio energético. El proyecto del experimento de presupuesto de radiación de la tierra (ERBE) de la NASA abarca tres de estos satélites: el satélite de presupuesto de radiación de la Tierra (ERBS), lanzado en octubre de 1984; el noaaa - 9, lanzado en diciembre de 1984; y el noaaa - 10, lanzado en septiembre de 1986. Hoy en día, los instrumentos satelitales que conforman el proyecto CERES, parte del sistema de observación de la tierra (EOS) de la NASA, están diseñados para medir tanto la radiación solar reflejada como la emitida por la Tierra.

Los principales gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno) son transparentes a la luz solar entrante, pero también son transparentes a la radiación térmica saliente (infrarroja). Sin embargo, el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano y otros gases son opacos en muchas longitudes de onda de la radiación térmica. La superficie de la Tierra irradia el equivalente neto del 17% de la energía solar entrante en forma de infrarrojo térmico. Sin embargo, la cantidad que fluye directamente al espacio es solo alrededor del 12% de la energía solar entrante. La fracción restante, del 5 al 6%, es absorbida por la atmósfera por las moléculas de los gases de efecto invernadero. Cuando las moléculas de gases de efecto invernadero absorben energía térmica infrarroja, su temperatura aumenta. Estos gases irradian una mayor cantidad de energía térmica infrarroja en todas las direcciones. El calor irradiado hacia arriba continúa encontrando moléculas de gases de efecto invernadero; estas moléculas también absorben calor, su temperatura aumenta y la cantidad de calor que irradian aumenta. La atmósfera se adelgaza con la altitud, y a unos 5 a 6 kilómetros, la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera superior es tan delgada que el calor puede escapar al espacio. Dado que las moléculas de gases de efecto invernadero irradian energía infrarroja en todas las direcciones, algunas de ellas se propagan hacia abajo y eventualmente regresan a la superficie de la Tierra, donde son absorbidas. Por lo tanto, la temperatura de la superficie de la Tierra es más alta de lo que sería si se calentara solo con calentamiento solar directo. Este calentamiento adicional es el efecto invernadero natural. Es como si la Tierra estuviera cubierta por una manta que permite la entrada de radiación de alta frecuencia (luz solar), pero ralentiza la velocidad a la que sale la energía radiante infrarroja de baja frecuencia emitida por la Tierra.

Un cambio en la parte irradiada incidente del balance de energía se conoce como forzamiento radiativo. La sensibilidad climática es el cambio constante de estado de la temperatura de equilibrio como resultado de cambios en el balance energético. Las fuerzas climáticas son cambios que hacen que las temperaturas suban o bajen, alterando el equilibrio energético. El forzamiento climático natural incluye cambios en el brillo del sol, los ciclos de Milanković (pequeñas variaciones en la forma de la órbita de la tierra y su eje de rotación que ocurren durante miles de años) y erupciones volcánicas que inyectan partículas que reflejan la luz hasta la estratosfera. El forzamiento artificial incluye las partículas de contaminación (aerosoles) que absorben y reflejan la luz solar, entrante; la deforestación, que cambia la forma en que la superficie refleja y absorbe la luz solar; y la creciente concentración de dióxido de carbono atmosférico y otros gases de efecto invernadero, que disminuye la velocidad con la que el calor se irradia al espacio. Un forzamiento puede desencadenar retroalimentación que intensifica (retroalimentación positiva) o debilita (retroalimentación negativa) el forzamiento original. Por ejemplo, la pérdida de hielo en los polos, que los hace menos reflectantes, causa una mayor absorción de energía y, por lo tanto, aumenta la tasa de fusión del hielo, es un ejemplo de retroalimentación positiva. El desequilibrio energético planetario observado durante el mínimo solar reciente muestra que el forzamiento solar del clima, aunque natural y significativo, se ve abrumado por el forzamiento antropogénico del clima. En 2012, los científicos de la NASA declararon que para detener el calentamiento global el contenido de co 2 en la atmósfera tendrá que reducirse a 350 ppm o menos, suponiendo que todos los demás factores climáticos sean estables. No se ha cuantificado el impacto de los aerosoles antropogénicos, pero se cree que los distintos tipos de aerosoles tienen notables propiedades de calentamiento y enfriamiento.

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