Proceso Térmico que Mantiene Cálida a la Atmósfera Terrestre.

Por Biól. Nasif Nahle Sabag
Profesor Universitario, Científico y Director de Investigaciones Científicas en Biology Cabinet®.
1 de septiembre de 2010.

Referencia:

Nahle Sabag, N. Proceso Térmico que Mantiene Cálida a la Atmósfera Terrestre. ©1 de septiembre de 2010. Revista en Línea del Gabinete de Biología®. San Nicolás de los Garza, N.  L.

Resumen:

A través de diversos cálculos aplicando fórmulas con respaldo experimental que no pueden ser alteradas ad arbitrium he demostrado que el efecto invernadero causado o favorecido por la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera no existe.

A través de un estudio más profundo sobre el efecto invernadero en la Tierra tomando en cuenta la mezcla total de gases del aire he descubierto que el efecto de invernadero es debido a un diferencial entre la densidad de la energía y el flujo de calor sensible a lo largo de una trayectoria que parte desde la superficie de la Tierra hasta aproximadamente 4500 m de altitud.

He obtenido también el diferencial térmico tomando en cuenta la variación de la densidad del aire con respecto a la altitud, la temperatura de la superficie de la Tierra en un momento especificado y la diferencia de temperatura entre la superficie y el aire en dicho momento especificado.

Flujo de Calor Sensible en la Atmósfera Terrestre:

El día 8 de julio de 2010, a las 22:00 hrs TU (16:00 hrs tiempo local), en la ciudad de San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, coordenadas 25° 48´ latitud N y 100° 19’ longitud W, a una altitud de 513 msnm (metros sobre el nivel del mar), la temperatura alcanzada por el suelo fue de 67 °C (340.15 K). La temperatura del aire promedio en los primeros 1000 m de altitud desde el ras del suelo fue de 36 °C (309.15 K).

Bajo las condiciones descritas en el párrafo anterior, calculé la cantidad de energía térmica sensible mediante la siguiente fórmula:

q = δ * h * C aire * (ΔT) * v

En donde δ es la densidad del aire (Kg/m^3), C aire es la capacidad calorífica del aire, h es la altura (m), ΔT es la diferencia entre la temperatura del aire a 1 m desde el suelo y la temperatura promedio para una altitud específica, y v es el promedio de la velocidad del viento en la troposfera desde el ras del suelo hasta 10000 m de altitud (v = 7.37 m/s).

La siguiente gráfica ilustra los resultados obtenidos sobre el flujo de la energía térmica a través de la atmósfera hasta 20000 m de altitud:
En la gráfica, podemos apreciar que el cambio del flujo de calor sensible a través de la atmósfera se incrementa hasta los 6000 m de altitud. A partir de esa altitud, el flujo de calor sensible comienza a disminuir hasta más o menos estabilizarse  a los 18000 m de altitud. En cambio, la temperatura del aire se estabiliza a partir de los 11000 m de altura.

El perfil del flujo de calor sensible en la atmósfera terrestre ostenta la distribución de Gauss que nos permite concluir que la actividad de intercambio de calor es limitado por la altitud, y la temperatura y la densidad del aire.

Por otra parte, el flujo de calor sensible denota claramente que la atmósfera, lejos de calentar a la superficie, la enfría. Este proceso es explicable toda vez que la física nos enseña que el principal mecanismo de transferencia de calor en la capa limítrofe entre la superficie y la atmósfera es la conducción, y que el calor absorbido por la atmósfera es llevado hacia otras capas o volúmenes de la atmósfera mediante la transferencia de calor por convección, lo que es ilustrado perfectamente en la siguiente gráfica comparativa:

Las cifras en la gráfica son mediciones reales realizadas durante el período especificado en la barra de la fecha (Date). Podemos ver que la temperatura de la superficie siempre es superior a la temperatura del aire. Además, se observa que la temperatura del aire es igual a o es superior a la temperatura del suelo solamente cuando el suelo está saturado durante o después de la lluvia, es decir, cuando el suelo se saturada de humedad.

Densidad de la Energía en la Atmósfera Terrestre:

Debido a que la densidad del aire en la atmósfera terrestre disminuye a medida que su altitud se incrementa, la temperatura del aire también disminuye con la altura de la columna de aire. Esta disminución de temperatura nos hace pensar de inmediato en dos procesos naturales de pérdida de energía térmica, la transferencia de calor por radiación hacia el espacio exterior y el proceso adiabático; este último está regido por la disminución de la presión efectiva de las moléculas sobre la superficie por dilución de los gases que componen la atmósfera (enrarecimiento de la atmósfera) y por minúsculas fluctuaciones de la gravedad terrestre con la altitud. Cabe señalar que el proceso de pérdida de calor adiabático no implica transferencia de calor por los procesos conocidos (conducción, convección y radiación).

La densidad de la energía puede calcularse conociendo el cambio de temperatura de un sistema cuando recibe calor desde otro sistema con mayor densidad de energía. Por ejemplo, si un sistema posee una densidad de energía de 100 J/m^3 mientras que un sistema aledaño al primer sistema posee 50 J/m^3, la energía térmica siempre fluirá desde el sistema que posee una densidad de energía de 100 J/m^3 hacia el sistema con una densidad de energía de 50 J/m^3.

Las observaciones y medidas realizadas por instrumentos en globos, aeroplanos y satélites demuestran fehacientemente que la densidad de energía en la atmósfera disminuye con la altitud. No obstante, podemos conocer teóricamente la densidad de la energía en cada capa de la atmósfera mediante el uso de la siguiente fórmula:

ρE = ΔT * (ρ aire/altitud) * C aire

En donde ΔT es la diferencia de temperatura entre la superficie y el aire a cada altitud considerada en el cálculo, ρ aire/altitud es la densidad del aire con respecto a la altura, y C aire es la capacidad calorífica del aire.

La capacidad calorífica de una substancia se ve influenciada por la temperatura y por la densidad de la substancia. En el caso del aire, dado que su temperatura y densidad disminuyen con la altura, su capacidad calorífica disminuye con la altura, de tal forma que el aire a 7000 m de altura poseerá una capacidad calorífica más baja que el aire a una altura menor. Por ejemplo, la capacidad calorífica del aire a una temperatura de 300 K y una densidad de 1.2 Kg/m^3 tiene una capacidad calorífica (Cp) de 1005.7 J/Kg K, en tanto que el aire a 223 K con densidad de 0.6 Kg/m^3 tiene una Cp de 411.71 J/Kg K.

Aplicando la fórmula para obtener la densidad de la energía en J/m^3 para un día sin nubes, obtuve una base de datos confiable a partir de la cual tracé la siguiente gráfica que muestra con claridad la causa del efecto invernadero en la Tierra:

En la gráfica notamos con bastante claridad que el efecto de invernadero, al cual yo prefiero llamar “casa cálida” (warmhouse en inglés), únicamente ocurre en la capa de aire que se extiende desde la superficie (cero msnm) hasta una altitud de 1700 msnm; más allá, el efecto se invierte y el flujo de calor sensible disminuye con la altitud.

El efecto de casa cálida (o efecto de invernadero) obedece pues a la trayectoria del flujo de calor sensible en la atmósfera terrestre con respecto a la densidad de la energía. En otros términos, cuando la densidad de la energía disminuye y el flujo de calor sensible se incrementa, la cantidad de energía térmica en movimiento es mayor y se produce el efecto de invernadero. Cuando el flujo de calor sensible se invierte y disminuye, el efecto de casa cálida se cancela.

Dadas estas circunstancias, la hipótesis de un efecto de invernadero mayor provocado por el incremento de la concentración de los gases que componen la atmósfera, sin incrementar la energía solar que penetra en la atmósfera e incide sobre la superficie calentándola, es errónea.

El vapor de agua, con una capacidad calorífica de 2060 J/Kg K, la cual es mayor que la del aire, modifica esta circunstancia causando que la caída de la densidad de la energía en la atmósfera sea menos abrupta  haciendo que la energía permanezca durante más tiempo en la atmósfera y permitiendo que la energía se mantenga en densidades cuasi-estables aún en altitudes superiores a los 3000 metros. El dióxido de carbono no tiene esta capacidad porque emite la energía térmica absorbida de forma instantánea.

Conclusión:

El efecto de casa cálida, o efecto de invernadero, no es causado por los gases que conforman la atmósfera, sino por la inversión de la declinación del flujo de calor sensible con respecto a la declinación de la densidad de la energía térmica en la atmósfera. Mientras el flujo de calor sensible se incrementa mientras que la densidad de la energía disminuye, ocurre el efecto de invernadero. Cuando el flujo de calor sensible disminuye a la vez que la densidad de la energía, el efecto de invernadero concluye.

Para incrementar el flujo de calor sensible en la atmósfera, se requiere de un incremento en la energía solar incidente sobre la superficie de la Tierra. De otra forma el efecto es imposible dado que la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma.


Bibliografía:

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2. Modest, Michael F. Radiative Heat Transfer-Second Edition. 2003. Elsevier Science, USA and Academic Press, UK.

3. Pidwirny, M. (2006). "The Layered Atmosphere". Fundamentals of Physical Geography, 2nd Edition. Date Viewed. http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7b.html

4. Pitts, Donald and Sissom, Leighton. Heat Transfer. 1998. McGraw-Hill.

5. Wilson, Jerry D. College Physics-2nd Edition; Prentice Hall Inc. 1994.

6. Nahle, Nasif S. Heat Stored by Greenhouse Gases. Biology Cabinet. 27 April 2007. http://biocab.org/Heat_Stored.htm.  Accessed: 24 July 2010.

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