La tierra: características generales e intercambio de energía.

5to Semestre Administración de desastre.

Ciencias de la tierra:

La tierra: características generales e intercambio de energía.

  Intercambio Energético:

     La tierra establece relaciones de intercambio con su ámbito, el sistema solar; como ejemplo mencionamos la radiación solar, la cual genera todas las manifestaciones energéticas que se dan en la atmósfera, a cualquier escala que se consideren. Uno de los aspectos más resaltantes de esta energía es la desigualdad distribución sobre la superficie terrestre a lo largo de todo el año, siendo ésta la causa de casi toda la dinámica atmosférica. La sucesión de las estaciones térmicas demuestra la importancia del desequilibrio en la intensidad de la energía solar recibida a diferentes latitudes del año.

Balance radiativo de la Tierra

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Esta figura es una, representación esquemática simplificada de los flujos de energía entre el espacio, la atmósfera de la Tierra, y la superficie de la Tierra, y muestra cómo estos flujos se combinan para mantener caliente la superficie del planeta creando el efecto invernadero. Si 235 W/m 2 fuera el calor total recibido en la superficie, entonces, la temperatura de equilibrio de la superficie de la Tierra sería de -20 °C (Lashof 1989). En cambio, la atmósfera de la Tierra recicla el calor que viene de la superficie y entrega unos 324 W/m 2 adicionales que elevan la temperatura media de la superficie a aproximadamente +14 °C [1]. Este proceso por el que se recicla la energía en la atmósfera para calentar la superficie de la Tierra es conocido como el efecto invernadero y es una parte esencial del clima de la Tierra. Bajo condiciones de equilibrio, la cantidad total de energía que entra en el sistema por la radiación solar se equilibrará exactamente con la cantidad de energía radiada al espacio, permitiendo a la Tierra mantener una temperatura media constante con el tiempo.

[pic 2]

Representación más pormenorizada de los flujos de energía entre el espacio, la atmósfera de la Tierra, y el suelo publicada por la NASA, [2] The Earth Observer. November - December 2006. Volume 18, Issue 6. page 38, basado en las mediciones del programa SORCE en 2006. Las cantidades entre paréntesis indican la variación de los valores respecto a 1996.

El balance radiativo terrestre se refiere al hecho de que durante periodos prolongados de tiempo la temperatura en la Tierra se ha mantenido esencialmente constante. Esto significa un equilibrio térmico entre la radiación que entra por la parte superior de la atmósfera y la que sale, la energía que absorbe la atmósfera y la que irradia, la energía que absorbe la superficie terrestre y la que irradia, pues ninguna de las parte aumenta de temperatura. Los intercambios de energía se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m 2). Sin embargo, medidas recientes indican que la Tierra está absorbiendo 0,85 ± 0,15 W/m 2más que lo que emite al espacio (Hansen et al. 2005). Este aumento, asociado con el calentamiento global, se cree que ha sido causado por el reciente aumento en las concentraciones de los gases de efecto invernadero.

Radiación solar incidente

El Sol es el responsable de toda la energía que alcanza la superficie de la Tierra. El Sol emite radiación que se puede considerar de onda corta y que prácticamente traspasa la atmósfera casi sin problemas. Veremos aquí las interacciones que tiene con la atmósfera. La Tierra intercepta una energía del Sol que en la parte superior de la atmósfera vale 1366 W/m 2; (ver constante solar). Sin embargo sólo intercepta energía la sección de la Tierra que mira al Sol mientras que la emite toda la superficie terrestre, así que hay que dividir la constante solar entre 4 lo que nos lleva a 342 W/m 2 . De esa energía, 77 W/m 2 es reflejada por las nubes o difundida por el aire hacia el espacio y 30 W/m 2 es reflejada hacia el espacio por la superficie terrestre. Así que 107 W/m 2 se pierden en el espacio por el albedo terrestre. El albedo es 0,313 así que se pierden en el espacio 0,313*342=107 W/m 2 . Por lo que quedan 342-107=235 W/m 2 que son los que penetran en la atmósfera. Pero empecemos por el principio:

• De los 342 W/m 2 el 51,7% es decir 177 W/m 2 son dispersados por la nubes o por los gases atmosféricos (22,5%= 77W/m 2 en dirección al espacio y 29,2%= 100 W/m 2 en dirección a la Tierra). Sólo el 2% es decir 7W/m 2 son absorbidos por las nubes.
• El aire absorbe un 17,5% es decir 60 W/m 2 .
• A la superficie de la Tierra llega directamente un 28,7% de la radiación solar inicial, es decir 198 W/m 2 , de la que un 19,9% es decir 168 W/m 2 son absorbidos por la Tierra y un 8,8% es decir 30 W/m 2 son irradiados directamente al espacio.

Balance de radiación corta

• Por la parte superior de la atmósfera se pierde el 31,3 % es decir 107 W/m 2 de la radiación corta (30 reflejados por el suelo y 77 reflejados por las nubes o difundidos por el aire) Por ello entran en la atmósfera 235 W/m 2 .
• La atmósfera absorbe un 19,5% de la radiación corta que corresponde a 67 W/m 2 .
• La superficie de la Tierra absorbe un 49,1% que corresponde a 168 W/m 2 . (100 W/m 2 reflejado por las nubes o difundido por el aire y 68 como radiación directa absorbida por la superficie terrestre).

Radiación térmica terrestre

La Tierra, como todo cuerpo caliente, emite radiación, pero al ser su temperatura mucho menor que la solar, emiteradiación infrarroja de una longitud de onda, mucho más larga que la incidente y que interacciona con los gases de efecto invernadero de la atmósfera. Más del 75% del calor capturado por la atmósfera, puede atribuirse a la acción de los gases de efecto invernadero. La atmósfera transfiere la energía recibida tanto hacia el espacio (37,5%) como hacia la superficie de la Tierra (62,5%); la cantidad transferida en cada dirección depende de la estructura y densidad de la atmósfera. Al recibir la superficie de la Tierra, de la atmósfera más energía que la proveniente del Sol, la temperatura de la superficie puede alcanzar en promedio los 14 °C. Vayamos por partes:

• La superficie de la Tierra por estar caliente irradia a la atmósfera radiación térmica por valor de 114 % de la radiación solar incidente es decir 390 W/m 2 .
• De ellos 40 W/m 2 van directamente al espacio (un 11,7% de la radiación solar incidente).
• El resto 350 W/m 2 son absorbidos por la atmósfera.
• La Tierra irradia a la atmósfera un 23% de la radiación solar incidente es decir 78 W/m 2 por la evaporación del agua. Cada gramo de agua para pasar a vapor de agua debe absorber 537 calorías que se roban de la superficie de la Tierra. Es el mismo efecto que cuando nos mojamos y la evaporación del agua sobre nuestro cuerpo nos refresca.
• La Tierra irradia a la atmósfera un 7% de la radiación solar incidente es decir 24 W/m 2 por convección y turbulencia del aire atmosférico. Sabemos que el aire en contacto con la superficie de la Tierra se calienta por lo que se dilata, pierde densidad y asciende, del mismo modo el aire frío más denso desciende donde roba calor de la superficie de la Tierra y completa el ciclo. A esto se le llama convección y hay una transferencia de calor de la Tierra a la atmósfera.
• La atmósfera absorbe el 132% de la radiación solar incidente es decir 452 W/m 2 . (350+78+24).
• La atmósfera como todo cuerpo caliente emite radiación térmica emite el 151,7% de la radiación solar incidente es decir 519 W/m 2 y lo hace irradiando hacia el suelo el 94,7% de la radiación solar incidente es decir 324 W/m 2 (mientras hacia el espacio irradia el 57% de la radiación solar incidente es decir 195 W/m 2 (165 irradiados por la atmósfera y 30 por la nubes).

Balance de radiación infrarroja o larga

• Por la parte superior de la atmósfera se irradia el 68,7% es decir 235 W/m 2 (195 por la atmósfera y nubes y 40 por el suelo). Como en el albedo expulsaba un 31,3% de la energía por esta superficie sale el 100% y el sistema Tierra-atmósfera no se calienta.
• A nivel de atmósfera se pierde un 67 W/m 2 de la energía en onda larga (452 absorbidos por la atmósfera y 519 perdidos que corresponden 195 irradiados por atmósfera y nubes y 324 irradiados por el suelo), pero como la atmósfera ganaba 67 W/m 2 de energía en onda corta queda equilibrada.
• A nivel de la superficie terrestre se pierde en energía de onda larga 492 W/m 2 (40 radiados al espacio, 350 a la atmósfera, 24 por convección y 78 por evaporación) y como la superficie terrestre ganaba también 492 W/m 2 (168 de onda corta y 324 radiados por la atmósfera devuelta a la Tierra) queda también equilibrada.

Tema 2

TEMA 2. LA TIERRA: CARACTERÍSTICAS GENERALES E INTERCAMBIO DE ENERGÍA

Introducción

La Tierra posee unas características muy especiales en comparación con los demás astros que forman parte del Sistema Solar. Tiene agua abundante, la que le da, vista desde el espacio, un característico color azul, y tiene una atmósfera en equilibrio con el agua y con los seres vivos. Su superficie sólida está formada por gigantescas placas litosféricas en movimiento constante. La energía que recibe del Sol es la óptima para la vida. Ni es excesiva, como para evaporar el agua y hacer desaparecer la atmósfera, ni es tan poca que mantuviera el agua helada.

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