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Nahle, N. Artículo Didáctico: Emisión Inducida, Flujo de Calor Sensible y Calor Almacenado. 21 de mayo de 2009. Biology Cabinet Organization. http://www.biocab.org/Emision_Inducida.html


Emisión Inducida, Flujo de Calor Sensible y Calor Almacenado por el Aire, el Agua y el Suelo.
Biól. Nasif Nahle Sabag

Certificado por la Universidad de Harvard en Investigación Científica ICAM. Director de Investigación Científica de Biology Cabinet Organization. Residencial El Roble, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. CP 66414.

Resumen: He recurrido a fórmulas básicas derivadas de la experimentación y observación por varios científicos para calcular el calor almacenado por cualquier substancia y el subsecuente cambio de temperatura causado en un determinado sistema. En este artículo demuestro que el clima de la Tierra es determinado por los océanos, el suelo y los materiales del subsuelo. También explico cómo la corriente de electrones emitida desde los océanos, el suelo y los materiales del subsuelo sobrepasa por mucho a la emisión de fotones desde la atmósfera hacia el suelo tanto durante el día como durante la noche.

INTRODUCCIÓN

A través de la última década, los proponentes de la idea de un calentamiento global antropogénico (CGA) o del impacto de un efecto "invernadero" sobre el clima han estado insistiendo en un concepto erróneo sobre la emisión de energía desde la atmósfera hacia la superficie. El argumento del calentamiento global y del cambio climático antropogénicos establece que el 50% de la energía absorbida por los gases atmosféricos, enfáticamente el bióxido de carbono, es irradiado de regreso hacia la superficie causando el calentamiento de esta última.

Esta especulación de los proponentes del cambio climático antropogénico y del calentamiento global es engañosa cuando se considera a la luz de los procesos naturales verdaderos. La idea del cambio climático antropogénico y del calentamiento global indica que si la atmósfera absorbe 240 W/m^2 de energía, el 50% de esa energía sería emitido hacia el espacio profundo y el 50% restante se emitiría de nuevo hacia la superficie. Sin embargo, los autores del cambio climático antropogénico y del calentamiento global están descuidando otros procesos que ocurren en cada acontecimiento atmosférico de transferencia de calor.

Por otra parte, desde la publicación de mi artículo sobre el Calor Almacenado por Gases de Invernadero, muchos autores del calentamiento global y cambio climático antropogénicos se han pronunciado contra la ciencia de la transferencia de calor. Hay críticas comunes hechas contra la teoría, aun cuando ésta se fundamenta en datos incuestionables derivados de la investigación científica logrados por científicos de todo el mundo durante los dos últimos siglos.

Los algoritmos que utilizo para calcular la transferencia de calor por las sustancias son absolutamente ordinarios y básicos; usted puede verificarlos en cualquier libro o artículo científico sobre transferencia de calor o termodinámica. Los autores del calentamiento global y cambio climático antropogénicos (CGCCA) que han criticado mi artículo han recurrido a discusiones pseudocientíficas; por ejemplo, diciendo que el calor no se almacena, que la atmósfera es un cuerpo negro, que no he considerado las retroalimentaciones climáticas, etc. A pesar de las muchas referencias demostrando que los algoritmos y los resultados son el producto íntegro de observaciones y experimentación, los autores del CGCCA continúan intentando confundir a aquellos lectores que han comprendido que el bióxido de carbono no es el agente causal del cambio climático o del calentamiento global.

Un argumento empleado por los proponentes del CGCCA es que el bióxido de carbono se comporta como un cuerpo negro, lo cual es absolutamente incorrecto porque el bióxido de carbono absorbe solamente una pequeña cantidad de energía en tránsito y emite solamente una cantidad pequeña de la energía almacenada por las moléculas. Para ser un cuerpo negro, el bióxido de carbono tendría que poder absorber la energía electromagnética de todas las bandas de frecuencia y de todas las longitudes de onda existentes, lo cual es incongruente con la realidad.

Por otra parte, el bióxido de carbono tiene una absorbencia limitada porque su concentración en la atmósfera es excesivamente baja. La presión parcial del bióxido de carbono en la atmósfera terrestre es de 0.00034 atm m, lo cual permite que exhiba una absorbencia-emisividad de 0.002. Por ejemplo, si el aire almacena 100 Joule de energía, el bióxido de carbono habría absorbido solamente 0.2 Joule; de esta cantidad de energía absorbida, el bióxido de carbono emitiría solamente 0.0004 Joule por radiación. La energía absorbida restante (0.1998 J) sería transferida por convección, radiación y, en un grado menor, por conducción hacia otros sistemas, o sería almacenada como energía potencial.

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CALOR ALMACENADO POR EL AIRE, EL AGUA Y LA ARCILLA SECA

El aire seco, es decir exento de vapor de agua, no almacena calor tan eficientemente como el agua y la arcilla seca. La siguiente tabla resume las características térmicas de los tres sistemas principales:

Para esta evaluación usaré los valores de Densidad (ρ), Capacidad Calorífica (ρC) y Volumen Específico (ρV).

La siguiente fórmula se emplea para calcular el calor almacenado por una substancia:

Qalm. = m (ρV) (ρC) (∆T)

En donde Qalm. denota el calor almacenado, m es la masa, ρV es para volumen específico, ρC es para capacidad calorífica y ∆T es para la fluctuación de temperatura del sistema analizado.

Ejemplo 1: ¿Cuál es la carga de calor almacenada por 1 m^3 de aire seco a 300.15 K de temperatura inicial (Ti) si su temperatura se incrementa (Tf) a 300.95 K en un segundo?

Valores conocidos:

Tf = 300.95 K
Ti = 300.15 K
m = 1.2 Kg
ρV = 0.83 m^3/Kg
ρC = 1200 J/m^3 K
T = 300.95 K - 300.15 K = 0.8 K

Substituyendo magnitudes:

Qalm = 1.2 Kg (0.83 m^3/Kg) (1200 J/m^3 K) (0.8 K)

Eliminando unidades:

Qalm = 1.2 Kg (0.83 m^3/Kg) (1200 J/m^3 K) (0.8 K)

Resolviendo el algoritmo:

Qalm = 1.2 (0.83) (1200 J) (0.8) = 956.16 J

Probando el resultado

¿Cuál es el cambio efectivo de temperatura causado por 956.16 J de calor absorbido por el aire seco?

T = Qalm / m (Cp)

En donde Qalm es la carga de calor almacenado, m es la masa y Cp es para calor específico.

Valores conocidos:

m = 1.2 Kg
Qalm = 956.16 J
Cp del aire = 1000 J/Kg K

Substituyendo magnitudes y eliminando unidades:

T = 956.16 J / 1.2 Kg (1000 J/Kg K)

Solución:

T = 956.16 / 1.2 (1000 K) = 0.7968 K (por redondeo, ∆T = 0.8 K = 0.8 °C).

La fluctuación efectiva de temperatura causada por 956.16 J de calor absorbidos por el aire seco es de 0.4 °C. Aproximadamente el 51% de la cantidad total del calor absorbido se transforma en energía potencial y cinética, es transferido a otros volúmenes de aire por convección, y liberado al espacio exterior por radiación. Esto significa que, si la temperatura del aire es de 300.15 K y la masa de aire recibe de 956.16 J de energía radiante, la temperatura final del aire sería de 300.95 K.

Ejemplo 2: ¿Cuál es la carga de calor almacenado por 1 m^3 de agua a 300.15 K de temperatura (Ti) si su temperatura (Tf) aumenta a 300.95 K en un segundo?

Valores conocidos:

Tf = 300.95 K
Ti = 300.15 K
m = 1000 Kg
ρV = 0.001 m^3/Kg
ρC = 4190 kJ/m^3 K
T = 300.95 K - 300.15 K = 0.8 K

Substituyendo magnitudes:

Qalm = 1000 Kg (0.001 m^3/Kg) (4190 kJ/m^3 K) (0.8 K)

Eliminando unidades:

Qalm = 1000 Kg (0.001 m^3/Kg) (4190 kJ/m^3 K) (0.8 K)

Solución:

Qalm = 1000 (0.001) (4190000 J) (0.8) = 3.352 x 10^6 J

Probando el resultado:

T = Qalm / m (Cp)

Valores conocidos:

m = 1000 Kg
Cp = 4190 J/Kg K
Qalm = 3352000 J

Substitución de magnitudes y eliminación de unidades:

T = 3352000 J / 1000 Kg (4190 J/Kg K) = 0.8 K

Tratemos ahora con un volumen de arcilla seca cuando el cambio de temperatura de la misma es también 0.8 K:

Ejemplo 3: ¿Cuál es la carga de calor almacenado por 1 m^3 de suelo seco a 300.15 K de temperatura (Ti) si su temperatura (Tf) aumenta a 300.95 K en un segundo?

Valores conocidos:

Tf = 300.95 K
Ti = 300.15 K
m = 2000 Kg
ρV = 0.0005 m^3/Kg
ρC = 1780000 J/m^3 K
T = 300.95 K - 300.15 K = 0.8 K

Substituyendo magnitudes:

Qalm = 2000 Kg (0.0005 m^3/Kg) (1780000 J/m^3 K) (0.8 K)

Eliminando unidades:

Qalm = 2000 Kg (0.0005 m^3/Kg) (1780000 J/m^3 K) (0.8 K)

Resolución del algoritmo:

Qalm = 2000 (0.0005) (1780000 J) (0.8) = 1.424 x 10^6 J

A partir de estos resultados, podemos ver que el agua y la arcilla seca del suelo son más eficientes que el aire seco para almacenar energía:

Qalm por aire seco =     0956.16 J
Qalm por el agua   =3352000.00 J
Qalm por la arcilla  =1424000.00 J

El agua y la arcilla seca del suelo están siempre en un estado de densidad de energía más alto que el aire y, en consecuencia, la energía fluye desde el agua y el suelo hacia el aire, lo cual es corolario de la segunda ley de la termodinámica.

EMISIÓN INDUCIDA

La emisión o la captura de un fotón por una molécula de cualquier sustancia dependen de tres procesos principales:

Emisión Espontánea, la cual consiste en la emisión al azar de fotones con múltiples trayectorias. La emisión espontánea es isotrópica (misma intensidad en todas las trayectorias) y no requiere de una fuente externa de fotones para que los átomos o las moléculas excitados emitan energía, es decir, puede ocurrir en ausencia de corrientes de fotones.

Emisión inducida, que es la emisión de fotones por un átomo o molécula en estados de alta densidad de energía en la misma dirección que la intensidad de la radiación o la corriente de fotones entrante, entendiendo por “radiación entrante” la energía incidente sobre ese átomo o molécula.

Absorción inducida, que sucede cuando la parte de la intensidad de la radiación entrante es absorbida por el átomo o la molécula que se encuentran en estados de energía más bajos.

Si la emisión de fotones desde la atmósfera fuese solamente debida a Emisión Espontánea, dicha emisión tendría que ser mucho más intensa que la radiación solar entrante y que la radiación de la superficie saliente, es decir, que la emisión de fotones desde la atmósfera tendría que ser más intensa que la corriente de electrones entrando desde el Sol o saliendo desde la superficie. Esto, definitivamente, no es verdad en el mundo real.

Realmente, los tres procesos de transferencia de calor por radiación tienen efecto en la atmósfera terrestre y la absorción inducida y la emisión inducida siempre prevalecen sobre la emisión espontánea.

Muchos se han referido a la inversión de la radiación durante la noche, pero es una idea incorrecta tomada de planetas sin océanos. Durante la noche, los océanos emiten fotones que forman una corriente de fotones que conduce a la emisión inducida en la atmósfera.

Muchos científicos han encontrado múltiples errores en los cálculos hechos por el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC) y por los proponentes de la idea de que el bióxido de carbono está causando un calentamiento global o cambio climático. El error más serio consiste en que ellos creen en una corriente de fotones reirradiados hacia abajo, la cual, a juicio de los proponentes de la idea AGW, sobrepasa a la radiación emitida desde la superficie, la cual se calentaría durante la noche. Sin embargo, cuando analizamos la materia sobre radiación emitida por la atmósfera hacia abajo, encontramos que tal calentamiento de la superficie por los gases de "invernadero" no existe.

El problema con la idea del calentamiento global antropogénico (ahora cambio climático antropogénico) es que sus proponentes piensan que la Tierra es un sistema aislado y que el intercambio de calor solamente funciona en la superficie del suelo. Ellos no toman en cuenta que el calor entrante desde el Sol es transferido por conducción desde la superficie del suelo hacia los materiales bajo la superficie, los cuales almacenan calor hasta que la incidencia directa de la radiación solar declina, explícitamente, durante la noche.

En la noche, el calor almacenado por los materiales bajo la superficie del suelo es transferido por conducción hacia la superficie, la cual es más fría que los materiales no expuestos en la superficie del suelo. El calor transferido desde las capas subyacentes hacia la superficie es luego transferido desde el suelo hacia el aire por conducción y tomado por el aire por convección. Esto último eleva la temperatura del aire. La corriente de fotones hacia arriba afecta la direccionalidad de la radiación emitida por la atmósfera, dirigiéndola hacia arriba, específicamente, hacia las capas superiores de la atmósfera desde donde la radiación es emitida hacia el espacio exterior. Este proceso es descrito claramente mediante la siguiente fórmula:

FSH = -ρ (Cp) (CH) [v (z)] [T (z) – T (0)]

En donde F es el flujo sensible de calor, ρ es la densidad del aire, Cp es la capacidad calorífica específica del aire a presión constante, CH es el coeficiente de transferencia de calor (≈ 0.0013), v (z) es la velocidad horizontal del viento a través de una distancia z, T(z) es temperatura del aire a una altura z, y T (0) es temperatura de la superficie.

El signo "-" significa que el calor es absorbido por el aire. Por ejemplo, el flujo sensible de calor (FSH) para una región en donde la temperatura de la superficie es 300.15 K, la temperatura del aire es 293.15 K, y la velocidad horizontal del viento es de 40 m/s, es de 0.443 kJ s/m^2.

Quiero aclarar que esta fórmula se aplica tanto para los océanos como para el suelo, aunque para el suelo es más apropiado usar el coeficiente de calor arrastrado (CD) en vez del calor transferido (CH). De cualquier manera, esto no afecta al resultado porque CDCH ≈ 0.0013.

El flujo de calor sensible (nota del autor: día y noche) es dirigido hacia arriba, es decir desde la superficie de la Tierra hacia la atmósfera. (Peixoto & Oort. 1992. Page 233).

Concluyendo, los gases atmosféricos no causan ningún calentamiento de la superficie dado que la emisión inducida prevalece sobre la emisión espontánea. Durante el día, la irradiación solar induce a las moléculas del aire a emitir fotones hacia la superficie; sin embargo, la carga de radiación de onda corta (SWR) absorbida por las moléculas de la atmósfera es excepcionalmente baja, mientras que la carga de radiación de onda larga (LWR) emitida desde la superficie que es absorbida por la atmósfera es alta así que conduce a una emisión inducida de fotones hacia arriba que sigue la trayectoria de la corriente de fotones saliente, desde capas atmosféricas bajas hacia capas atmosféricas altas y finalmente hacia el espacio exterior. El efecto de calentamiento de la tierra es debido a los océanos.

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EJEMPLO OBSERVADO EN LA NATURALEZA

El día 23 de mayo de 2009, la temperatura del aire se incrementó en una hora de 29 °C a 29.6 °C, en tanto que la temperatura de la tierra seca (ts) se incrementó de 32 °C a 33.2 °C. La velocidad del viento fue de 1.8 m/s y la radiación solar incidente fue de 19.8 x 10^16 eV/cm^2. Obtener a) el flujo sensible de calor (FSH) y b) el calor almacenado (Qalm) por el aire y c) por el suelo bajo esas condiciones.

Magnitudes conocidas:

Para el aire:

Ti aire = 29 °C {T(z)1
Tf aire = 29.6 °C {T(z)2
∆Taire = 29.6 °C - 29 °C = 0.6 °C
v(z)aire = 1.8 m/s
Altura de la columna de aire = 1.5 m
CH = 0.0013
Cp del aire = 1000 J/Kg °C
ρC del aire = 1200 J/m^3 °C
ρaire = 1.2 Kg/m^3
maire = 1.2 Kg
ρV = 0.83 m^3/Kg

Para la tierra seca:

Ti ts = 32 °C {T(0)1
Tf ts = 33.2 °C {T(0)2
∆Tts = 33.2 °C - 32 °C = 1.2 °C
Cp de la tierra seca = 890 J/Kg °C
ρC de la tierra seca = 1420000 J/m^3 °C
ρaire = 2000 Kg/m^3
mtierra = 2000 Kg
ρV = 0.0005 m^3/Kg

a) Flujo sensible de calor (FSH).

Antes de proceder, obtengamos el promedio T(z) y el promedio T(0):

[T(z)1 + T(z)2] / 2 = [29 °C + 29.6 °C] /2 = 29.3 °C

[T(0)1 + T(0)2] / 2 = [32 °C + 33.2 °C] / 2 = 32.6 °C

Fórmula:

FSH = -ρ (Cp) (CH) [v (z)] [T (z) – T (0)]

Substituyendo magnitudes:

FSH = -1.2 Kg/m^3 (1000 J/Kg °C) (0.0013) (1.8 m/s) [29.3 °C – 32.6 °C]

Solución:

FSH = 13.8996 J/s m^2 (redondeando la cifra obtenemos FSH = 14 J/s m^2)

La carga de calor emitida desde la superficie del suelo que es absorbida por el aire es de 14 J/s m^2, que es equivalente a 14 W/m^2.

b) Calor almacenado por el aire (Qalm-aire).

Fórmula:

Qalm. = m (ρV) (ρC) (∆T)

Valores conocidos:

Ti aire = 29 °C {T(z)1
Tf aire = 29.6 °C {T(z)2
∆Taire = 29.6 °C - 29 °C = 0.6 °C
v(z)aire = 1.8 m/s
Altura de la columna de aire = 1.5 m
CH = 0.0013
Cp del aire = 1000 J/Kg °C
ρC del aire = 1200 J/m^3 °C
ρaire = 1.2 Kg/m^3
maire = 1.2 Kg
ρV = 0.83 m^3/Kg

Substituyendo valores:

Qalm-aire = 1.2 Kg (0.83 m^3/Kg) (1200 J/m^3 °C) (0.6 °C) = 717.12 J

Solución:

Qalm-aire = 717.12 J

b) Calor almacenado por la tierra seca del suelo (Qalm-ts).

Fórmula:

Qalm. = m (ρV) (ρC) (∆T)

Valores conocidos:

Ti ts = 32 °C {T(0)1
Tf ts = 33.2 °C {T(0)2
∆Tts = 33.2 °C - 32 °C = 1.2 °C
Cp de la tierra seca = 890 J/Kg °C
ρC de la tierra seca = 1780000 J/m^3 °C
ρaire = 2000 Kg/m^3
mtierra = 2000 Kg
ρV = 0.0005 m^3/Kg

Substituyendo valores:

Qalm-ts = 2000 Kg (0.0005 m^3/Kg) (1780000 J/m^3 °C) (1.2 °C) = 2.136 x 10^6 J

Solución:

Qalm-ts = 2.14 x 10^6 J

Bajo condiciones naturales, la tierra seca del suelo almacena 2376 veces más calor que el aire.

En la naturaleza, el calor siempre fluye desde los sistemas con mayor cantidad de energía hacia los sistemas con menor cantidad de energía. A nivel molecular, la cantidad de fotones emitidos por el sistema más frío que son absorbidos por el sistema caliente simplemente son desviados y no contribuyen en el sobrecalentamiento del sistema que posee una mayor cantidad de energía.

Para incrementar la energía almacenada en un sistema determinado, la cantidad de energía contenida y emitida por la fuente de energía debe ser mayor que la cantidad de energía contenida por el sistema analizado; de otra manera, no habrá incrementos de energía almacenada por el sistema analizado.

En suma, el calentamiento de la superficie de la Tierra por energía que se emite desde la atmósfera hacia la superficie no concuerda con los fenómenos observados en la naturaleza.

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BIBLIOGRAFÍA

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Manrique, José Ángel V. Transferencia de Calor. 2002. Oxford University Press. England.

Maoz, Dan. Astrophysics. 2007. Princeton University Press. Princeton, New Jersey.

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Peixoto, José P., Oort, Abraham H. 1992. Physics of Climate. Springer-Verlag New York Inc. New York.

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

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Van Ness, H. C. Understanding Thermodynamics. 1969. McGraw-Hill, New York.

http://www.ipcc.ch/SPM2feb07.pdf (Last reading on 25 August 2007)

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