BALANCE DE LA ENERGÍA SOLAR INCIDENTE EN LA TIERRA.
Por Biól. Nasif Nahle Sabag

ENERGÍA INCIDENTE EN LOS PLANETASENERGÍA NETADISTRIBUCIÓN DEL CALOREJEMPLOBIBLIOGRAFÍA

Publicado el ©12 de mayo de 2007. Última Actualización: 19 de junio de 2007.

Para citar este artículo copie y pegue las siguientes líneas (substituya los espacios entre paréntesis por el día, el mes y el año en que consultó este artículo):

Nahle, Nasif S. Balance de la Energía Entrante a la Tierra. Biology Cabinet. 12 de mayo de 2007. Obtenido el  (día)  de (mes), (año); de http://biocab.org/Balance_Energia.html
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BALANCE DE LA ENERGÍA

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INTRODUCCIÓN

La vida es completamente dependiente de la energía. No podemos hablar de seres vivientes sin tomar en cuenta los intercambios de energía que ellos realizan con su medio ambiente. Si dichos cambios no tuvieran lugar o si no existiese una fuente de energía como nuestro Sol, no existirían seres vivientes en la Tierra. Por esta razón, los biólogos debemos comprender a fondo la forma en que nuestro planeta adquiere energía, la cantidad de energía que recibe, el cómo ésta se distribuye en los diferentes sistemas del planeta y el cómo los seres vivientes la aprovechan.

El siguiente es un resumen de la cantidad de energía que recibe nuestro planeta desde el Sol, sus magnitudes y de cómo se distribuye en los diferentes sistemas terrestres.

Para tener una idea de la situación privilegiada de nuestro planeta en el ámbito del Sistema Solar, he incluido la cantidad de energía solar incidente en cada planeta y en el planetoide Plutón.

CANTIDAD DE RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE EN CADA PLANETA

Fórmula:

GPL = QSOL / 4π (ROP)^2

En donde,

GPL es la cantidad de radiación solar incidente en el planeta.
QSOL es la cantidad total de energía emitida por el Sol expresada en Watts(3.94832e+26 W).
4π = 12.56637061
ROP es el Radio Orbital del Planeta, expresado en metros.

VALORES DE LA POTENCIA SOLAR INCIDENTE EN CADA PLANETA:

Mercurio = 9,449.43 W/m^2

Venus = 2687.6 W/m^2

Tierra = 1402.8 W/m^2

Marte = 612.55 W/m^2

Júpiter = 52.34 W/m^2

Saturno = 17.2 W/m^2

Urano = 3.89 W/m^2

Neptuno = 1.55 W/m^2

Planetoide Plutón = 0.8998 W/m^2

Promedio de la potencia solar  incidente en la Tierra durante el Afelio = 1359.02 W/m^2
Promedio de la potencia solar incidente en la Tierra durante el Perihelio = 1452.77 W/m^2


BALANCE DE LA POTENCIA SOLAR INCIDENTE EN LA TIERRA:

1359.02 W/m^2 - 1452.77 W/m^2 es el total neto de Radiación Solar incidente en la capa más externa de la atmósfera terrestre.

El 50.01% de la energía recibida es Radiación Infrarroja. De este porcentaje:

El 51% de la energía de Radiación Infrarroja es absorbida por la superficie de la Tierra.

El 24% es reflejado en la troposfera por las nubes.

El 14% es absorbido por el aire, específicamente por el vapor de agua y el rocío. El Bióxido de Carbono es “transparente” a la radiación infrarroja de onda corta proveniente del Sol.

El 7% es reflejado por la atmósfera superior.

El 4% es reflejado por los suelos y los océanos.

CÁLCULO DE ENERGÍA (PROMEDIOS):

El total neto de radiación solar electromagnética que incide en la capa más externa de la atmósfera de la Tierra es de 1359.02 W/m^2 - 1452.77 W/m^2.

He tomado 1367.75 W/m^2 como valor promedio.

698.34 W/m^2 son radiación infrarroja.

356.15 W/m^2 son absorbidos por la superficie del planeta.

167.6 W/m^2 son reflejados por las nubes hacia el espacio exterior.

97.768 W/m^2 son absorbidos por el vapor y el rocío de agua atmosféricos. Es calor latente.

48.901 W/m^2 son reflejados por la atmósfera (oxígeno y aerosoles).

27.931 W/m^2 son reflejados por la arena, la nieve y el agua.


BALANCE DETALLADO (PROMEDIOS):

Total absorbido por la superficie: 356.15 W/m^2
Emitido por la superficie al espacio: 181.64 W/m^2
Almacenado por la superficie: 174.51 W/m^2
Absorbido por el aire desde la superficie: 19.55 W/m^2
Absorbido por el vapor de agua desde la superficie: 130.89 W/m^2
Transferido por conducción a los suelos y a los océanos: 24.07 W/m^2

En el aire:

Total absorbido por el aire seco: 25.07 W/m^2
Absorbido por el aire seco desde la superficie: 19.55 W/m^2
Absorbido por el aire seco desde las nubes y vapor de agua: 5.52 W/m^2

Almacenado por el aire seco (por fase gaseosa): 5.85 W/m^2
Emitido directamente al espacio: 2.2 W/m^2
Transferido al vapor de agua: 14.66 W/m^2
Transferido a sistemas más fríos en la superficie (promedio de absorbencia = 0.1206): 2.36 W/m^2

En el vapor de agua:

Total absorbido por el vapor de agua: 243.35 W/m^2
Absorbido desde el sol: 97.8 Watts/m^2
Absorbido desde la superficie: 130.89 W/m^2
Absorbido desde la atmósfera: 14.66 W/m^2

Emitido al espacio desde el vapor de agua: 182.513 W/m^2
Almacenado por el vapor de agua (por fase gaseosa): 14.53 W/m^2
Transferido a sistemas más fríos en la superficie: 44.503 W/m^2
Transferido al aire: 1.804 W/m^2

El calor absorbido por el rocío del vapor y del agua es transferido a la atmósfera superior por convección, desde donde sale de la Tierra hacia el espacio profundo o hacia el campo gravitacional.

Durante la noche, el calor almacenado por el vapor de agua, el rocío del agua y los océanos se transfiere al suelo y a la atmósfera (al aire calmoso). Un porcentaje del calor absorbido por el aire, el vapor de agua, el rocío de agua y los océanos es transferido por radiación al espacio profundo cuando los volúmenes calientes de aire ascienden a la troposfera superior.

El calor absorbido por el bióxido de carbono y otros gases atmosféricos se transfiere por convección al vapor de agua atmosférico, los océanos y a las capas superiores de la atmósfera.

Los océanos, el vapor de agua, el rocío y el agua en los suelos son los que mantienen tibia a la tierra durante la noche.

Los océanos son los principales depósitos de energía. Los océanos mantienen las noches tibias y evitan que la tierra se congele. Una parte enorme del calor absorbido por la tierra es transferida por conducción a las aguas oceánicas. Los océanos almacenan el calor durante más tiempo que el aire y el suelo porque la capacidad térmica del agua es más alta que la del aire y del suelo. Debemos considerar que la absorbencia y la emisividad del aire comparten casi el mismo valor, en tanto que la conductividad térmica parcial de los gases que forman la atmósfera es bastante baja; por ejemplo, la conductividad térmica del CO2 es de apenas 0.016572, por lo que el CO2 se considera como un pobre conductor de calor. Por otra parte, el vapor del agua, que conforma una porción impredecible de la atmósfera (del 2 al 7%), es un mejor absorbente, emisor y conductor del calor. Si pusiéramos 1.384 × 10^21 Kg de agua en Venus o en Marte, obtendríamos el mismo clima benigno y comfortable que tenemos en la Tierra.

La energía radiante puede tomar tres vías cuando incide sobre un sistema termodinámico: Una fracción de esa energía se refleja (reflectancia); parte de esa energía puede ser transmitido (transmitancia) y una fracción de esa energía del incidente puede ser absorbida (absorbencia).

Para los gases, la relación es α + τ = 1, que significa que los gases reflejan una fracción muy pequeña  de la energía radiante incidente. Sin embargo, la emisividad y la absorbencia de un gas conocido casi tienen el mismo valor numérico.

La disertación en los párrafos anteriores tiene el objetivo de indicar que el CO2 (o el aire seco en su totalidad) no almacena calor. El CO2 no almacena calor porque su capacidad calorífica es baja; además, la transmitancia térmica del CO2 es alta, y este emite la misma cantidad de calor que absorbe.  Todos los sistemas termodinámicos emiten la misma cantidad de calor que absorben, solo que algunos de ellos lo hacen rápidamente, mientras que algunos otros lo hacen lentamente. El aire lo hace rápidamente, mientras que el agua (en sus tres fases) lo hace lentamente.

La atmósfera no puede almacenar calor para siempre, sino a través de unos pocos segundos debido a su capacidad térmica. Si hay más calor en la capa troposférica más baja que en las capas medias y superiores es porque la superficie absorbe más calor y lo irradia hacia la capa atmosférica en contacto inmediato con ella, no porque el aire haya almacenado más calor. Mientras que la superficie absorba más calor, la capa de aire sobre ella se calentará más. Pero el calor se transfiere siempre del sistema más caliente al sistema más frío. Si la capa troposférica baja se calienta y las capas media y superior son más frías, el calor irradiado por la capa más baja SERÁ TRANSMITIDO a través de ellas, pues la absorbencia de los gases disminuye con la altitud. Luego pues, las capas media y superior de la troposfera son más frías que la capa más baja y que la superficie. Pero casi todo el calor va hacia las capas más altas de la troposfera y de ahí a la estratosfera, en donde el calor es transferido por conducción. Por lo tanto la estratosfera superior es más caliente que la estratosfera más baja.

Biól. Nasif Nahle Sabag
10 de Mayo de 2007
San Nicolás de los Garza, N. L. México.

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RECURSOS BIBLIOGRÁFICOS:

Bakken, G. S., Gates, D. M., Strunk, Thomas H. and Kleiber, Max. Linearized Heat Transfer Relations in Biology. Science. Vol. 183; pp. 976-978. 8 March 1974.

Curtis, Helen. Biology. 1983. Worth Publishers, Inc. New York, New York.

Lean, Judith. 2004. Solar Irradiance Reconstruction. IGBP PAGES/World Data Center for Paleoclimatology Data Contribution Series # 2004-035. NOAA/NGDC Paleoclimatology Program, Boulder CO, USA.

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

Sutton, David B. y Harmon, N. Paul. 2000. Fundamentos de Ecología. Editorial Limusa, S. A. de C. V. Grupo Noriega Editores. México, D. F.

Potter, Merle C. and Somerton, Craig W. Thermodynamics for Engineers. Mc Graw-Hill. 1993.

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

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EXPLICACIÓN Y CÁLCULO (Vea gráfica):

Durante siete días, los indicados en la tabla, estuvimos midiendo la cantidad de Radiación Solar Incidente sobre la superficie terrestre, la cantidad de energía reflejada por la superficie, la temperatura del suelo pavimentado, la temperatura del suelo arenoso, la temperatura del pasto y la temperatura y la Humedad Relativa del aire.

Como puede usted ver, la reflectividad del suelo varía de un día a otro, sin embargo, esto fue debido a que los días 13, 15, 18 y 19 de Junio hubo nubosidad, la cual atenuaba la cantidad de Irradiación Solar Incidente, por lo tanto, la cantidad de energía reflejada variaba constantemente. Por ejemplo, el día 15 de Junio, aunque la Irradiación Solar Incidente alcanzó valores de 469.79 W/m^2, una gran parte de ella era reflejada por las nubes y por el vapor de agua en la atmósfera antes de tocar el suelo. Usted puede notar que la humedad relativa durante el día 15 de junio fue mayor que los otros días, por lo que una gran cantidad de la Radiación Solar Incidente fue absorbida antes de tocar los sensores de medición de energía reflejada por la superficie.

También es relevante el hecho de que del 15 al 17 de junio la tierra arenosa absorbió más calor que el pavimento. Ello se atribuye a la pérdida de humedad desde el suelo por una mayor cantidad de energía incidente.

Es digno de mención la poca influencia que tiene el bióxido de carbono en el almacenamiento de calor en la atmósfera, pues la temperatura del aire sufrió oscilaciones durante los días 13 y 15 de junio, cuando la densidad del bióxido de carbono fue la misma. En cambio, puede verse con claridad la alta influencia del vapor de agua en la temperatura del aire, pues el 15 de junio la HR fue de 39-42%, y fue el día en que la temperatura del aire y de la tierra fue más alta. En cambio, la temperatura del pavimento fue mucho más baja el día 15 de junio. Esto es debido a la transmitancia del vapor de agua, el cual puede absorber calor antes de que este llegue a la superficie, además de que absorbe eficientemente el calor transferido desde la superficie.

En ningún caso se observó que el aire estuviera más caliente que la superficie, por lo que no podemos asumir que el calor de la superficie fuera debido al calor absorbido por el aire. Recuerde que el calor siempre fluye desde los sistemas más calientes hacia los sistemas más fríos.

EJEMPLO SEMANA DEL 13-19 de junio de 2007:

T promedio de 7 días = 309.88 K
TsTa = 12.47 K
t = 60 s
q Almacenado por el CO2 atmosférico = 0.116785528684435 W/m^3 = 0.028 cal
Cp Del CO2 = 208.1 cal
m Vol. del CO2 = 410 ppmv = 0.0006451 Kg/m^3
Cp x m = 0.1342542583 cal x kg/m^3
ΔT = 0.21 K = 0.21 C

El cambio real en la temperatura causado por el bióxido de carbono es de 0.21 °C.

Biól. Nasif Nahle
C-1L Scientific Research by Harvard University.

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