La Luz Solar y la Tierra

Astronomía
La Luz Solar y la Tierra
El Sol es el objeto más brillante y más familiar del cielo. La
vida sobre la Tierra no sería posible sin él:
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Existe la comida que comemos debido a la luz solar
que incide sobre las plantas verdes y el combustible
que quemamos proviene de esas plantas o fue
acumulado por ellas (en forma de carbón, petróleo o
gas natural) hace mucho tiempo.
La Tierra probablemente no sería adecuada para la
vida. La vida, tal y como la conocemos, necesita
agua y la Tierra es un planeta que la tiene: pero sin
el Sol, la Tierra sería una roca helada en el espacio.
Aún ahora la Tierra es, probablemente, el único
lugar de
nuestro
sistema
solar
adecuad
o para la
vida: el
agua de
Venus y
Mercurio
se
convertir
ía en
vapor y
la de Marte o la de los planetas más distantes se
congelaría.
Como se genera la luz solar
El Sol no tiene una superficie claramente definida como la de
la Tierra, porque está demasiado caliente para ser algo más
que gas. Mejor dicho, lo que nos parece como su superficie
es una capa de la atmósfera solar, la "fotosfera" (esfera de
luz) que emite luz ("irradia") debido a su alta temperatura.
Todas las sustancias calientes irradian luz, desde la visible a
la que está más allá del espectro visible, en la gama de la
"infrarroja" (IR "debajo del rojo") y de la "ultravioleta" (UV
"encima del violeta"). Esta es la forma en que producen luz
una pieza de hierro al rojo o el filamento de una lámpara.
Cuanto más caliente el objeto, más brilla y más alejado
estará su color del rojo. Inversamente, el color de un objeto
caliente (si es denso) nos dice lo caliente que está. En el
caso del Sol, el color de la fotosfera indica una temperatura
de 5780 Kelvin (grados Celsius medidos desde el cero
absoluto), unos 5500° C.
El Calentamiento de la Tierra
La luz solar transporta energía, que calienta la Tierra y es la
fuerza impulsora que está detrás de nuestro clima y tiempo
atmosférico. Cuando el suelo se calienta por la luz, comienza
a irradiar, pero estando demasiado frío hasta para emitir en
el rojo pálido, su radiación es en el rango infrarrojo. Una
cazuela caliente o una plancha caliente también irradia en el
IR y su mano puede sentir esa radiación (como calor) si la
arrima sin tocar.
Debido a que el suelo no está tan caliente como el Sol, su
emisión es mucho más débil. Sin embargo, el suelo, por
todos lados, emite radiación en todas las direcciones del
medio cielo visible, mientras solo recibe radiación desde el
pequeño disco solar, que cubre un pequeño círculo de 0.5
grados de diámetro. Por esto, la energía total que recibe
cualquier superficie deberá ser igual a la energía total que
reenvía al espacio.
Piense sobre esto! Si todo el calor de la Tierra proviene del
exterior (despreciando el calor interno) y si mantiene una
temperatura estable, no existe otra forma. Naturalmente
solo la temperatura media es estable. Realmente el suelo se
calienta solo durante el día, pero irradia al exterior día y
noche, por eso las noches, cuando la energía solo sale y casi
ninguna entra, son más frías que los días.
El "Efecto Invernadero"
El flujo real de calor está complicado por la atmósfera, que
como una manta, ayuda a mantener a la Tierra más caliente
de lo que debería estar. Lo hace así absorbiendo la luz IR
irradiada desde el suelo y retrasando su escape hacia el
espacio exterior. Esto se llama el "efecto invernadero",
porque se utiliza el mismo proceso en los invernaderos para
cultivar vegetales en climas fríos. Un invernadero está
cerrado y cubierto con paneles transparentes, que dejan
entrar la luz solar, pero absorben los IR emitidos por el
suelo y por esto se mantiene el invernadero caliente.
El principal absorbedor de los IR en la atmósfera no son el
nitrógeno y el oxígeno, principales constituyentes del aire,
sino un porcentaje relativamente menor de "gases
invernadero", como el vapor de agua (H2O), el dióxido de
carbono (CO2) y el metano (CH4), que son fuertes
absorbedores de IR. En la alta estratosfera (vea más
adelante), la luz solar ultravioleta (UV) es absorbida por el
ozono (O3), una forma de oxígeno producida allí (solo en
pequeñas cantidades) por los propios UV. El ozono
encontrado cerca del suelo y que forma parte de la polución
urbana proviene de un proceso completamente diferente.
El efecto invernadero ayuda a mantener a la Tierra con
temperatura confortable para la vida, pero es una situación
en equilibrio. En el último medio siglo, el quemado de
combustibles fósiles, carbón y petróleo, ha incrementado
continuamente el contenido atmosférico del CO2. La
temperatura media de la Tierra también se ha elevado y esta
elevación se cree que es debida al CO2 añadido.
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Tiempo Atmosférico
Al absorber los infrarrojos (al igual que por su contacto con
el suelo) el aire se calienta. Cuando se expande el aire, cada
metro cúbico (o pie cúbico) pesa menos que antes del
calentamiento. Donde el calentamiento es más acusado, el
aire caliente en más ligero que el aire frío que lo rodea y
tiende a ascender: las aves planeadoras y los pilotos de
planeadores buscan esas "corriente térmicas" que les
permiten ascender con ellas. Esta flotación es el proceso
básico responsable del tiempo.
El aire que se eleva se expande y
la expansión de un gas lo enfría;
por eso es por lo que las cimas
de las montañas están más frías.
Finalmente, alcanza una altura
donde ya no queda aire
suficiente para evitar que la
radiación IR se escape al
espacio. El aire en ese momento
Un ciclón visto desde el
se enfría por la liberación de la
espacio.
radiación y finaliza su ascensión,
produciéndose una capa relativamente estable de la
atmósfera conocida como estratosfera.
Justo debajo del límite de la estratosfera ("tropopausa"), el
aire que se ha enfriado es forzado hacia abajo de nuevo por
el aire caliente ascendente. El resultado es una circulación
de aire, ascendiendo caliente y retornando frío, haciéndolo
una y otra vez en un movimiento conocido como convección.
En un día frío de invierno esta convección también ocurre en
los hogares: cerca de las ventanas pobremente aisladas el
aire se enfría y desciende (como lo muestra la llama de una
vela, pero ¡cuidado con la llama!), mientras que dentro de la
habitación se eleva de nuevo. La región entre el suelo y la
estratosfera donde tiene lugar la convección y el tiempo se
conoce como troposfera.
La luz solar también evapora el agua de los océanos, de los
lagos y los ríos y de las plantas verdes. La energía se
invierte en convertir el agua líquida en vapor y por lo tanto
el aire húmedo tiene más energía almacenada que el aire
caliente.
La capacidad del aire para retener vapor de agua depende
de la temperatura y es menor en el aire frío (al igual que se
puede disolver menos azúcar en el agua fría que en la
caliente). Cuando el aire caliente húmedo se eleva, se
expande y enfría y como no puede retener tanta agua como
antes, el exceso la expulsa: Inicialmente en diminutas
gotitas en nubes y luego, si el enfriamiento se hace más
drástico, como gotas de lluvia.
El aire restante es más seco y caliente, calentado por la
conversión del vapor de agua en líquido y la restitución de la
energía a su entorno, y el aire más caliente es más capaz de
irradiar su calor hacia el espacio. Así es como el agua, las
nubes y la lluvia juega el principal papel en el transporte del
calor solar desde el suelo hacia el espacio y ayuda a crear
los complejos patrones del tiempo y el clima.
P. ¿Que es lo que limita el calentamiento de un
invernadero? R. El cristal absorbe la energía de los IR e
irradia algo hacia el invernadero, pero también irradia hacia
el exterior y cede calor al aire frío que lo rodea. Cuando la
proporción de pérdida iguala a la de ganancia, la
temperatura dentro del invernadero se estabiliza.
P. Después de una gran explosión, a menudo se observa
elevarse a una bola de humo. ¿Por qué se eleva? R. Las
explosiones liberan energía y el humo que sale de ellas es
por consiguiente más caliente. El "hongo" de las explosiones
nucleares también se crea de esta manera: en este caso, la
elevación es tan vigorosa y rápida que la nube aspira el
polvo y el humo del suelo para formar el "hongo".
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