1.ElSistemaClimtico

1.1DefinicindeTiempo

Eselestadoinstantneodelaatmsferaenunmomentoylugardados.Suevolucinestdeterminada por la generacin, desarrollo y desaparicin de las distintas perturbacionesatmosfricasquelodeterminan.

1.2DefinicindeClima

Enformasencilla,el climasedefinecomoelpromediooestado tipicodel tiempoenunmomentoylugardados.Sudescripcionincluyeelpromediodevariablescomolatemperatura,laprecipitacion,lahumedad,coberturanubosa,etc,asicomoladesviacionesperabledeesasvariablesrespectoalpromedio.Entrminosmscorrectos,elclimaeselestadodelmedioambiente habitable (descripto estadsticamente) que resulta de la interaccin entre lossiguientescomponentesdelSistemaClimtico(figura1.1):

a) LAATMSFERA,queeslacomponentedemsrpidavariacinylamsactivadelpuntodevistaenergtico.

b) LAHIDRSFERA, incluyendolosoceanosytodoslosreservoriosdeaguaenformaliquida,loscualessonlamayorfuentedehumedadparalaprecipitacionyqueintercambiangases,comoelCO2,yparticulasdesalconlaatmosfera.Losoceanosinteractanconlaatmsferabajaenperodosdemesesaaos,atravsdesuscapassuperficiales,mientrasquelascapasmsprofundasslorespondenacualquierestmuloenperiodosdedcadasasiglos.

c) LACRIOSFERA,quecomprendelascapasdehielocontinentalymarino,sobreypordebajodelasuperficieterrestre,ascomotambintodoslosdepsitosdenievedelmundo.Juegaunpapelespecialenelbalanceradiativoterrestre.

d) LOSCONTINENTES,queafectanelflujoatmosfericoyoceanicoporsugeometriaymorfologia(topografia,coverturavegetal),yelciclohidrologicoatravesdesucapacidaddealmacenaragua.

e) LABISFERA,quecomprendetodaslasformasdevidaenelplaneta(vegetalyanimal),yqueafectalaspropiedadesfisicasdelaireydelaguaatravesdelarespiracionyotrasreaccionesquimicas

Figura1.1EsquemadelSistemaClimticoTerrestre

Cadaunadelascomponentessehallaenpermanenteinteraccinconlasrestantes.Sisetienenen cuenta sus diferentes tiempos de respuesta a una dada perturbacin introducida en elSistema,resultalgicoesperarquedichoSistemanologrealcanzarunequilibrioestticosinoque,permanentemente, se encuentra ligeramentedesequilibrado.Ademsde las complejasinteraccionesexistentesentrelascomponentesdelSistemaClimtico,elmismoseencuentracondicionadopor ciertos forzantes externos, tanto naturales (el Sol) comoantropognicos(debidosalhombre).

Eltrmino"VariabilidadClimtica"esusadoparadestacarvariabilidaddentrodelclima,oseafluctuacionesenlaspropiedadesestadsticassobreperodosdemeses,aosodecadas.Deesamanerasedeterminanlmitesdentrodeloscualeslosvaloresmedios,desvosofrecuenciasdevaloresentreloslmitesestablecidospuedeseraceptadacomonormal.Loseventosfueradeestos lmitespuedenservistoscomoanmalosaunciertoniveldesignificacin.Ysi laspropiedadesestadsticasdeunasecuenciadeaos,dcadas,etc.difierenconsiderablementerespectodeotrasecuenciadeaos,dcadas,etc.dereferencia,podemoshablarde"CambioClimtico"sobreunaescaladetiempoadecuada.

2.Laatmsfera

Laenvolturagaseosaquerodeaelplanetaqueidentificamoscomoatmsfera,consisteenunamezcladegases,tieneunacomposicincasiconstantehastalos25km.dealtura:

Gas(*gasesvariables)FrmulaqumicaVolumenenporcentaje

Nitrogeno N278.08% Oxigeno O220.95%

*VapordeAgua H2O 0a4%ArgnAr0.93%*DixidodeCarbnCO20.0360%NenNe0.0018%Helio He0.0005%*Metano CH40.00017%Hidrogeno H20.00005%*Oxidonitroso N2O0.00003%*Ozono O30.000004%

Tabla1Composicinpromediodelaatmsferahastaunaaltitudde25km.

Lasproporcionesdeestosgasessemantienencasiconstantesconlaalturayestosedebealapermanente mezcla vertical por agitacin, que supera a la separacin difusiva que escomparativamentelenta,delosgasescomponentessegnsuspesosmolecularesrespectivos.

Laatmsferaterrestretienevariasfunciones:sirvedesombrillapararesguardarnosdelaluzsolar,comoescudodeproteccionderayosultravioletassolaresdaninos,ycomofrazadaqueatrapacalormanteniendoalasuperficiedelaTierraencondicioneshabitables.Laatmosferalograestoaunsiendounadelgadacapadegases;sinuestroplanetafueradeltamanodeunamanzana,laatmosferaseriatananchacomolacascara.Nuestrocomfortyseguridaddependedelasinteraccionesentrelosfotonesdelaluzsolarylasmoleculasdelosgasesqueformanlaatmosfera.Estohamantenidotemperaturasmoderadasqueaseguraronlapresenciadeaguaenformaliquidaalolargodelahistoriadelplaneta,unacondicionvitalparalapresenciadevida.LascondicionessonmuydiferentesenVenusyMarte,nuestrosvecinosmascercanoymaslejanodelSol,respectivamente.EnMartelastemperaturassontanbajasquetodoelaguaseencuentracongelada,mientrasqueenVenussontanaltasquetodoelaguaevaporoyescapoalespacio.PeronosololadistanciaTierraSolesimportante.Lacomposicionatmosfericaesfundamental.Paraentenderlaimportanciadelacomposicionatmosfericaesnecesarioentenderlanaturalezadelaluzysuinteraccionconlasmoleculasdeaire.

2.1ComparacionentreVenus,MarteylaTierra

Loscrculosnegrosllenosdelafigura2.1muestranlatemperaturadesuperficiedelostresplanetasenfunciondesudistanciaalSol.

Figura2.1ComparacindelatemperaturadeVenus,TierrayMarteenfuncindeladistanciaalSol(106km).Lacurvamuestralatemperaturacalculadasilosplanetasabsorbierantodalaradiacinsolar;loscrculosblancoslatemperaturatomandoencuentaelefectodel

albedo;loscrculosnegroslatemperaturaobservada.

QuepartedeladiferenciadetemperaturasentreplanetasdependedesudistanciaalSol,yquepartedependedelacomposicionatmosferica?

ParadeterminarlatemperaturadeunplanetadebidounicamenteasuposicionrespectodelSol(independientedesucomposicionatmosferica)invocamoslaleydeconservaciondelaenergia.Esaleynosdice,queenestadodeequilibrio,elplanetaabsorbeyemiteigualescantidadesdeenergia. Como los planetas estan aislados en el espacio, pueden ganar/perder energiaunicamenteporradiacion.Consideremoslasiguientefigura2.2

Figura2.2Absorcinyradiacindeenergaenunplanetaesfrico

SielflujodeenergiasolarporunidaddereaesSyelplanetatieneradioR,entonceslaenergasolarquerecibeelplanetaes

Qs=R2S

LaenergaqueirradialaTierraestdadaporlaleydeStefanBoltzman,osea

Qt=4R2e4

EnestadodeequilibrioQs=Qt,ynospermitecalcularlatemperaturadeemisionTe:

Te=(S/4)1/4

Estaseralatemperaturadeunplanetaqueabsorbetodalaradiacinsolaryquenotieneatmsfera.ComolaenergasolarporunidaddereaSdependedeladistanciaplanetaSol,estatemperaturadisminuyecuantomasnosalejamosdelSol,ysemuestracomolalneacontnuaenlafigura2.Notequeestacurvadifieredelatemperaturaobservada.

2.1.aAlbedo

Paramejorarelmodeloesnecesarioconsiderarquenotodalaenergasolaresabsorbidaporelplanetayaquepartedeestaesreflejada.Lareflectividaddeunasuperficie,sualbedo,dependedesubrillo.LaTierra,principalmentedebidoalasnubesyaloshielospolares,reflejaun30%delaenergasolar.Venusreflejaun75%yMarteun15%.LaaltareflectividaddeVenusimplicaquenicamenteel25%delaenergasolaresabsorbida,ancuandoestmuchomascercadelSolquelaTierra.

Paracalcularlatemperaturadeequilibriodeunplanetaconciertoalbedobastaconmodificarlaradicinsolarporunfactor(1):

Qs=(1R2S

ylatemperaturadeemisinqueda:

Te=[(1S/4]1/4

ConsiderandoelefectodelalbedoplanetariolatemperaturaTeestimadaesanmasbajaquelaobservada(circulosabiertosenlafigura2).VemosqueparaMarteestasaproximacionessonmuybuenasyaquetieneunaatmsferamuyfina.NoobstanteparaVenusylaTierranuestrosclculossonbastantemalos.Queestfaltando?Faltaconsiderarlacomposicinatmosfricayelefectoinvernadero.

2.1.bEfectoinvernadero

Laatmsferadeunplanetapuedeactuarcomofrazadamanteniendoelcaloremitidoporelplaneta.Lasobservacionesrepresentadasporloscrculosnegrosenlafigura2correspondenala temperatura de superficie de los planetas; los crculos blancos, basados en el balanceenergticodescritoenlaseccinanterior,correspondenacondicionesmsfraseneltopedelaatmsfera.Ladiferenciaentreellosesunamedidadecuangruesaeslafrazada,oseacuanimportanteeselefectoinvernaderoencadaplaneta.EnausenciadeesteefectolatemperaturadelaTierrasera18C,ynoelvaloractual+15C.

Laefectividadconlacualunaatmsferainterceptacalorprovenientedelasuperficiedependedesucomposicin,desuconcentracindegasesdeefectoinvernadero.Venustieneunefectoinvernaderomuygrandepuessuatmsferaest compuesta principalmentepordixidodecarbono(CO2).Encambio,losgasesmasabundantesenlaatmsferaterrestre(nitrgenoyoxgeno)nosoncapacesdeabsorbercalordesdelasuperficieterrestre.ElefectoinvernaderodelaTierradependedegases,principalmenteH2O,CO2yCH4presentesenconcentracionesmuypequeasenlaatmsfera.Porejemplo,CO2representaun0.036%delaatmsfera(tabla1). As cualquier emisin antropognica de CO2 por las actividades industriales y de laagriculturaescapazdecambiarestaproporcinsignificativamente,alterandolacomposicinatmosfricaylatemperaturaterrestre.

Elefectoinvernaderosepuedeentenderconsiderandounmodelomuyidealizadodeatmsfera,enelcualstaserepresentaporunlminadevidriodetemperaturauniforme(figura2.3).

S S

Vidrio

GS

Figura2.3Modeloesquemticodeefectoinvernadero.

Laatmsferaes transparentea la radiacinsolarS, que llegaa la superficie terrestre.Alcalentarse,lasuperficiecomienzaaemitirradiacindeondalargaG,lacualesabsorbidaporelvidrioqueseempiezaacalentaryaemitirradiacion.Paraqueelsistemaestenequilibrio,stedebeabsorbertantaenergacomoemite,porloqueelvidriodebeemitirShaciaelespacio.

ComoelvidriotienetemperaturauniformedebeemitirtambinShacialasuperficie.Porlotantolasuperficierecibeunaradiacinnetaiguala2S,eldoblederadiacinquerecibiraenausenciadelvidrio.Aslasuperficieadquiereunatemperaturamasaltaqueenausenciadelefectoinvernaderodelvidrio.

NotarquelasuperficieestaunatemperaturamasaltaqueelvidrioyaqueesteltimosloirradiaunacantidaddeenergaS.Asuvez,esteejemplomuestraquesiunplaneta tieneatmsfera, la temperaturadeemisinquesedebeusaren losclculosdebalanceenergarealizadosmsarribacorrespondeaunatemperaturaenalturaynoensuperficie.

3.Interaccindelaluzconlaatmsfera

Comodescribimosmsarribalaatmsferatienepropiedadesfsicasinusuales:apesardequeatrapalaenergaemitidaporlaTierra,estransparentealaenergasolar.Asuvez,elalbedoterrestredependeprincipalmentedelasnubes,lascualessonblancasyporlotantoreflejanmuchadelaluzincidente.Silasnubesestncompuestasdegotasdeaguatransparentes,porquelasnubessonblancas?Pararesponderestaspreguntasesnecesarioestudiarlanaturalezadelaluz.

3.1Dispersindelaluz

Sibienlaluztieneunanaturalezadualpartculaonda,enestaseccinconsideraremoslaluzcomounfenmenoondulatoriodondeelcolordependedelalongituddelaonda.As,laluzrojatieneunalongituddeondalarga,mientrasquelaluzazultieneunalongituddeondacorta.Newtondemostr,usandounprisma,quelaluzblancadelsolpuededescomponerseenuncontinuodecoloresqueformanelarcoiris.

PorquelSolesundiscoamarilloenuncieloazulcuandosevedesdelaTierra,yundiscoblancosobrefondonegrodesdelaLuna?Larespuestaradicaenlainteraccindelaluzsolarconlaspartculasatmosfricas.EnlaLunaelcolordelsoleslasumadeloscoloresdelarcoiris,blanco,yelcielonotienecolorpuesnoexisteluzquevengadeahi.LaTierraesdiferentepuestieneunaatmsferacompuestapormolculasypartculassuspendidasquedispersanlaluz.Enreglageneral,cuantomspequeaeslapartculaconrespectoalalongituddeondamenosefectotiene.Esteresultado,dispersiondeRayleigh,sepuedeexpresarcomo

S~ (2r/)4

dondeSesladispersion,reselradiodelapartculaylalongituddelaonda.

Lasmolculasquecomponenlaatmsferasondiminutasrespectoalalongituddeondadelrojo,peronoconrespectoalazul.Porlotanto,estasmolculasdispersanelazulperotienenunefectodespreciablesobreelrojo;poresoeselcieloazul.Entrminoscuantitativosyusandolafrmulaanteriorladispersindelazul(m)conrespectoaladelrojo(m)es(.64/.47)4=3.45vecesmayor.Porlamismarazn,cuandomiramoselSoldefrentealmediodanosparecequeesamarillopueslosrayoshanperdidosucomponenteazul.Alatardecer,elSolseverojizopueslosrayossolaresdebenatravesarunacapamayordeatmsferaloquehacequenicamentelosrayosrojossobrevivan.

Ademsdemolculas,elairetieneaerosoles,oseapartculasslidasolquidassuspendidasenelaire(polvo,gotasdeagua,cristalesdehielo,polen,etc).Estosaerosoles,cuyotamaoesmuchomayorquelalongituddeondadelespectrovisible,tieneunefectodedispersindela

luzindependientedelalongituddeonda.Osea,dispersantodosloscoloresdelaluzyporlotantoaparecencomoblancos.Unagotadeaguasolanotienemuchoefecto,perounconjuntograndedegotas,unanube,dispersasuficienteluzcomoparaparecerblanca.

La concentracin de aerosoles en la atmsfera ha venido aumentando por la actividadindustrial.Noobstante,alcontrariodelosgasesdeinvernadero,losaerosolestiendenaenfriarelplanetapuesreflejanlaluzsolar.

3.2Radiacinyabsorcindeluz

ElefectoinvernaderodependedelasdiferenteslongitudesdeondadeemisindelSolylaTierra,unaconsecuenciadirectadelastemperaturasdeestoscuerpos.Cuantomscalienteestuncuerpomascortaeslalongituddeondadelcolorpredominante.ElSol,queestaunatemperaturade6000Kemitepredominantementeondascortas, amarillas, mientrasque laTierraaunatemperaturade15C(288K)emiteradiacininfraroja.

Figura3.1Radiacinsolaryterrestre

Por qu irradian los cuerpos? Cargas elctricas que vibran producen radiacinelectromagntica.Silascargasqueestamosconsiderandosonloselectronesenlostomosqueconstituyenunslido,entonceslaradiacintendrunespectrocontnuodelongitudesdeonda,ynosotroslaexperimentamoscomoluzycalor.Enelcasodeungaslaradiacinesmassimple;elgassloemiteenunconjuntopequeodelongitudesdeonda.Porejemploel gassodioemite uncoloramarillo.Cadagas tieneunespectrodeterminadodetalformaquecompuestosqumicosenformagaseosapuedenseridentificadosporsuespectro,esdecir,loscoloresqueirradiancuandosecalientan.Kirchoff,enelsigloXIXdescubriquelosgasesabsorbenenlasmismaslongitudesdeondaqueemiten.As,cuandoluzblancaemitidaporuncuerpopasaporunacmaracongassodio,apareceunalneanegraenelespectrodondedebierahaberenergaenelamarilloquemarcalaabsorcinde

energaporelsodio.

Aunatemperaturade6000KelSolemiteunespectrocontnuodeluz,lamayorparteenelvisible.Cuandoestaradiacinatraviesalaatmsferaencuentragasesqueabsorbenalgunaslongitudesdeonda,enparticularelozonoqueabsorbelosrayosultravioletas.Estaabsorcinactacomoescudopermitiendoquesoloradiacindelongitudesdeondamaslargas(yporendemenosenergticos)lleguenalasuperficieterrestre.

Laradiacinquellegaalasuperficieesabsorbida,calentandolasuperficielacualasuvezcomienzaairradiarhacialaatmsfera.Estaradiacindeondalargaespocoenergticaynopuede ionizaro fotodisociarmoleculas,comos podra la radiacinultravioleta. Puedesi,causarquetomosomolculascomiencenarotarovibrarmsrpidamente(figura3.2).

Figura3.2Posibleinteraccinentreunaondaelectromagnticayatomos/molculas.

Comolasmolculasytomospuedensloestarenciertosestados(cuantizados),stossloabsorbenradiacindeciertaslongitudesdeondadependiendodelgas.Cuantomascomplejaesla molcula,masmodos devibracin, rotacin,etc tieneypor lo tanto interaccionamasfacilmenteconondasdediversalongitud.(porej.lasmolculastriatmicascomoelCO2,elvapordeaguaH20yelozonoO3).Porelcontrario,molculasdiatmicassimplescomoelnitrgeno (N2) y oxgeno (O2) slo pueden interaccionar con la radiacinultravioleta que

fotodisociayionizaestosgasesenlaatmsferaalta.As,losdosgasesmasabundantesenlaatmsferanointeraccionanconlaradiacindeondalargaemitidaporlaTierra.

Losgasesdeinvernadero, aquellosque interaccionancon la radiacin terrestre,sepuedenidentificarinspeccionandoelespectroderadiacionquelaTierramandaalespacio.Lafigura3.3muestraelespectromedidoporunsatlitecuandopasabaporlaisladeGuamenelocanoPacficotropical.

Figura3.3EspectroderadiacinterrestremedidadesdeunsatlitesobrelaisladeGuam(lneairregular);radiacinesperadaparasuperficiesadiferentestemperaturas(lneassuaves).

Laslneassuavesrepresentanlaradiacinaemitirsilaatmsferanotuvieragasesdeefectoinvernadero,paravariastemperaturas.LatemperaturadesuperficieenGuamescercanaalos27C,ypartedelacurvadelespectroobservadosecorrespondenbastantebien.Ladiferenciaentreelespectroobservadoyeltericopara27Cesmayorparaunabandadelongitudesdeondacentradasen15m,aquellaparalacualabsorbeeldixidodecarbono.Otradiferenciasignificativaocurrepara~ 10m,queeslaventanadeabsorcindelozono.As,elozononosloabsorberadiacinultravioletaenlaestratsfera,sinoqueesunpotentegasdeefectoinvernadero.

Entrelos10ylos15mexisteunaventanaporlacuallaradiacininfrarojaescapaalespacio.Cualquier adiciondegas en la atmsferaqueabsorbaenesta ventanacontribuir masalcalentamientoglobaldelplanetaqueeldixidodecarbono.LasmolculasdeCFCsonmuyefectivasenabsorberenestaventana.PorlotantolosCFCsnoslocausanladestruccindelacapadeozonoenlaestratsfera,sinoquecontribuyenalefectoinvernadero.

Porltimohayquenotarqueelvapordeaguaeselgasdeefectoinvernaderoqueabsorbeenlamayorcantidaddelongitudesdeondaterrestre.Noobstante,determinarelefectoinvernaderodel vapor deaguanoes simple ya quesucontribucindependede la temperaturade la

atmsfera.Cuantomayoreslatemperaturaatmosfrica,mayoreslacantidaddevapordeaguaque puede contener. Por lo tanto, un incremento de la temperatura tiende a aumentar elcontenido de vapor de agua en la atmsfera. Unavez que existe mas vapor de agua, latemperaturatiendeaumentaaunmas.Esteprocesoderetroalimentacinpositivadelvapordeaguaesunacaractersticafundamentaldelsistemaclimtico.3.3Estructuraverticaltrmicadelaatmsfera

Silaatmsferafueraunasimplefrazadatransparentealaradiacinsolaryopacaalaradiacinterrestrelatemperaturadeberasermximaenlasuperficieydisminuirmonotnicamenteconlaaltura.Enrealidadlaestructuraverticalesmuchomascomplejaysepuedendefinircapasllamadastropsfera,estratsfera,messferaytermosferadondelastemperaturasaumentanydisminuyenalternadamente(figura3.4).

Figura3.4Estructuraverticaldelaatmsfera

Estaestructurasedebealaabsorcinderadiacinsolarprovenientedelespacioporlosgasesenlaatmsfera,locualgeneracalorycalientalasdiferentescapas.(Estodebecompararseconelefectoinvernadero,elcualinvolucralaabsorcinderadiacindeondalargadesdeabajoyporlotantolatemperaturadisminuyeconlaaltura.)As,podemosidentificaralatermosferaylaestratsferacomolascapasdondeexisteabsorcinderadiacinsolar.

Enlatermosfera(~200km)laradiacinsolarmasenergtica(ylamaspeligrosaparalavida

terrestre)esabsorbidaporelnitrgenoyeloxgenoloscualessonfotodisociadosenelproceso.Estocreaunaionosferaagrandesaltitudesdondeexisteunagranabundanciadetomosymolculasdeoxgeno.Losrayosultravioletasquelogranpasarla termosferaencuentranlaestratsfera,nuestrasegundalneadedefensa,dondesonabosrbidosporelozono.

Lasinteraccionesentreluzyairediscutidashastaahorapuedenexplicarfenmenoscomoelefectoinvernaderoylaestructuratrmicadelaatmsfera.Noobstante,lasexplicacionessonnecesariamentecualitativaspueshastaahorahemosdespreciadolosmovimientosatmosfricosquedistribuyencalorymateriaverticalmente,enfriandoaslasuperficieterrestre.

Referencias Isthetemperaturerising?Theuncertainsienceofglobalwarming.G.Philander CursoTheClimateSystem,ColumbiaUniversity.

http://eesc.columbia.edu/courses/ees/climate/index.html