Presupuesto energético de la Tierra

El presupuesto de energía de la Tierra representa el equilibrio entre la energía que la Tierra recibe del Sol , [nota 1] y la energía que la Tierra irradia de regreso al espacio exterior después de haber sido distribuida por los cinco componentes del sistema climático de la Tierra . [2] Este sistema está formado por agua , hielo , atmósfera , corteza rocosa y todos los seres vivos de la Tierra . [3]

El clima de la Tierra está determinado en gran medida por el presupuesto energético del planeta , es decir , el equilibrio de la radiación entrante y saliente . Se mide por satélite y se muestra en W / m 2 . [1]

Se requiere cuantificar los cambios en estas cantidades para modelar con precisión el clima de la Tierra. [4]

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La radiación de flujo de onda corta entrante en la parte superior de la atmósfera (TOA) muestra la energía recibida del sol (26-27 de enero de 2012).
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Radiación de flujo de onda larga saliente en la parte superior de la atmósfera (26-27 de enero de 2012). La energía térmica irradiada desde la Tierra (en vatios por metro cuadrado) se muestra en tonos de amarillo, rojo, azul y blanco. Las áreas de color amarillo más brillante son las más calientes y emiten la mayor cantidad de energía hacia el espacio, mientras que las áreas de color azul oscuro y las nubes blancas brillantes son mucho más frías y emiten la menor cantidad de energía.

La radiación recibida se distribuye de manera desigual sobre el planeta, porque el Sol calienta las regiones ecuatoriales más que las regiones polares. "La atmósfera y el océano trabajan sin descanso para nivelar los desequilibrios del calentamiento solar mediante la evaporación del agua superficial, la convección, la lluvia, los vientos y la circulación oceánica". [5] La Tierra está muy cerca de estar en equilibrio radiativo , situación en la que la energía solar entrante se equilibra con un flujo igual de calor hacia el espacio; bajo esa condición, las temperaturas globales serán relativamente estables. A nivel mundial, en el transcurso del año, el sistema de la Tierra (superficies terrestres, océanos y atmósfera) absorbe y luego irradia de regreso al espacio un promedio de aproximadamente 340 vatios de energía solar por metro cuadrado. Cualquier cosa que aumente o disminuya la cantidad de energía entrante o saliente cambiará las temperaturas globales en respuesta. [5]

Sin embargo, el balance energético de la Tierra y los flujos de calor dependen de muchos factores, como la composición atmosférica (principalmente aerosoles y gases de efecto invernadero), el albedo (reflectividad) de las propiedades de la superficie, la cobertura de nubes y la vegetación y los patrones de uso de la tierra.

Los cambios en la temperatura de la superficie debido al balance energético de la Tierra no ocurren instantáneamente, debido a la inercia de los océanos y la criosfera . El flujo de calor neto se amortigua principalmente al convertirse en parte del contenido de calor del océano , hasta que se establece un nuevo estado de equilibrio entre los forzamientos radiativos y la respuesta climática. [6]

Un diagrama de Sankey que ilustra el balance energético de la Tierra descrito en esta sección: el grosor de la línea es linealmente proporcional a la cantidad relativa de energía. [7]

A pesar de las enormes transferencias de energía hacia y desde la Tierra, mantiene una temperatura relativamente constante porque, en general, hay poca ganancia o pérdida neta: la Tierra emite a través de la radiación atmosférica y terrestre (desplazada a longitudes de onda electromagnéticas más largas) hacia el espacio. aproximadamente la misma cantidad de energía que recibe a través de la insolación (todas las formas de radiación electromagnética).

Para cuantificar el balance de calor o el balance de calor de la Tierra , deje que la insolación recibida en la parte superior de la atmósfera sea de 100 unidades (100 unidades = aproximadamente 1360 vatios por metro cuadrado frente al sol), como se muestra en la ilustración adjunta. Llamado el albedo de la Tierra, alrededor de 35 unidades se reflejan de regreso al espacio: 27 desde la parte superior de las nubes, 2 desde áreas cubiertas de nieve y hielo y 6 desde otras partes de la atmósfera. Las 65 unidades restantes se absorben: 14 en la atmósfera y 51 en la superficie de la Tierra. Estas 51 unidades se irradian al espacio en forma de radiación terrestre: 17 se irradian directamente al espacio y 34 son absorbidas por la atmósfera (19 mediante calor latente de condensación, 9 mediante convección y turbulencia y 6 absorbidas directamente). Las 48 unidades absorbidas por la atmósfera (34 unidades de radiación terrestre y 14 de insolación) finalmente se irradian de regreso al espacio. Estas 65 unidades (17 del suelo y 48 de la atmósfera) equilibran las 65 unidades absorbidas por el sol para mantener cero la ganancia neta de energía de la Tierra. [7]

Energía radiante entrante (onda corta)

La cantidad total de energía recibida por segundo en la parte superior de la atmósfera terrestre (TOA) se mide en vatios y está dada por la constante solar multiplicada por el área de la sección transversal de la Tierra correspondiente a la radiación. Debido a que el área de la superficie de una esfera es cuatro veces el área de la sección transversal de una esfera (es decir, el área de un círculo), el flujo TOA promedio es un cuarto de la constante solar y, por lo tanto, es aproximadamente 340 W / m 2 . [1] [8] Dado que la absorción varía con la ubicación, así como con las variaciones diurnas, estacionales y anuales, los números indicados son promedios a largo plazo, generalmente promediados a partir de múltiples mediciones satelitales. [1]

De los ~ 340 W / m 2 de radiación solar recibidos por la Tierra, un promedio de ~ 77 W / m 2 se refleja en el espacio por las nubes y la atmósfera y ~ 23 W / m 2 se refleja en el albedo de la superficie , dejando ~ 240 W / m 2 de entrada de energía solar al presupuesto energético de la Tierra. Esto le da a la Tierra un albedo neto medio (específicamente, su albedo de Bond ) de 0.306. [1]

El calor interno de la Tierra y otros pequeños efectos.

Se estima que el flujo de calor geotérmico del interior de la Tierra es de 47 teravatios [9] y se divide aproximadamente en partes iguales entre el calor radiogénico y el calor sobrante de la formación de la Tierra. Esto equivale a 0,087 vatios / metro cuadrado, lo que representa solo el 0,027% del balance energético total de la Tierra en la superficie, que está dominada por 173.000 teravatios de radiación solar entrante . [10]

La producción humana de energía es aún menor, estimada en 18 TW. [ cita requerida ]

La fotosíntesis tiene un efecto mayor: la eficiencia fotosintética convierte hasta el 2% de la luz solar que incide en las plantas en biomasa . 100 a 140 [11] TW (o alrededor del 0.08%) de la energía inicial es capturada por la fotosíntesis, dando energía a las plantas. [ aclaración necesaria ]

En estos cálculos generalmente se ignoran otras fuentes menores de energía, incluida la acumulación de polvo interplanetario y viento solar , la luz de estrellas distintas del Sol y la radiación térmica del espacio. Anteriormente, Joseph Fourier había afirmado que la radiación del espacio profundo era significativa en un artículo que a menudo se cita como el primero sobre el efecto invernadero . [12]

Radiación de onda larga

La radiación de onda larga se define generalmente como energía infrarroja saliente que abandona el planeta. Sin embargo, la atmósfera absorbe partes inicialmente o la capa de nubes puede reflejar la radiación. Generalmente, la energía térmica se transporta entre las capas superficiales del planeta (tierra y océano) a la atmósfera, transportada a través de la evapotranspiración y los flujos de calor latente o procesos de conducción / convección . [1] En última instancia, la energía se irradia en forma de radiación infrarroja de onda larga de regreso al espacio.

Las observaciones satelitales recientes indican una precipitación adicional, que se sostiene por el aumento de energía que sale de la superficie a través de la evaporación (el flujo de calor latente), compensando los aumentos en el flujo de onda larga hacia la superficie. [4]

Si el flujo de energía entrante no es igual al flujo de energía saliente, el planeta agrega o pierde calor neto (si el flujo entrante es mayor o menor que el saliente, respectivamente).

Medida indirecta

Un desequilibrio en el balance de radiación de la Tierra requiere que los componentes del sistema climático cambien la temperatura con el tiempo. El océano es un absorbedor eficaz de energía solar y tiene una capacidad calorífica mucho mayor que la atmósfera. La medición del cambio de temperatura es muy difícil ya que corresponde a milisegundos en el corto período de tiempo de las mediciones ARGO. El cambio del contenido de calor del océano (OHC) a lo largo del tiempo es la misma medida que la anomalía de temperatura a lo largo del tiempo.

El balance de energía de la Tierra puede medirse mediante flotadores Argo midiendo la anomalía de temperatura o, de manera equivalente, la acumulación del contenido de calor del océano . El contenido de calor del océano se mantuvo sin cambios en el océano extratropical del norte y en el océano tropical durante el período 2005-2014. El contenido de calor del océano aumentó solo en el océano austral extratropical. [ cita requerida ] No se conoce ninguna razón por la que el océano austral extratropical experimente aumentos en el contenido de calor del océano mientras que el contenido de calor del océano permanece constante en la mayor parte del océano medido. La medición requiere con urgencia confirmación tanto mediante mediciones a más largo plazo como mediante un método alternativo. Es útil notar que la anomalía del contenido de calor oceánico de la medición del flotador Argo es aproximadamente 3x10 22 julios, o aproximadamente tres días de exceso de insolación solar durante el período de nueve años, o menos de una variación de ~ 0.1% de la insolación solar durante nueve años. [ cita requerida ]

Medida directa

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Animación de las órbitas de la flota de observatorios de teledetección de la Tierra de 2011 de la NASA.

Varios satélites miden directamente la energía absorbida e irradiada por la Tierra y, por tanto, por inferencia el desequilibrio energético. El proyecto Experimento de presupuesto de radiación terrestre (ERBE) de la NASA involucra tres satélites de este tipo: el Satélite de presupuesto de radiación terrestre (ERBS), lanzado en octubre de 1984; NOAA-9, lanzado en diciembre de 1984; y NOAA-10, lanzado en septiembre de 1986. [13]

Los instrumentos del Sistema de Energía Radiante de la Tierra y las Nubes de la NASA (CERES) son parte del Sistema de Observación de la Tierra (EOS) de la NASA desde 1998. CERES está diseñado para medir tanto la radiación reflejada por el sol (longitud de onda corta) como la emitida por la Tierra (longitud de onda larga). [14] Los investigadores han utilizado datos de CERES, AIRS , CloudSat , LandSat y otros instrumentos EOS para buscar tendencias de forzamiento radiativo antropogénico incrustado en los desequilibrios energéticos observados. Presentaron un modelo que mostraba un aumento de +0,53 W m −2  (+/- 0,11 W m −2 ) de los años 2003 a 2018; con aproximadamente un 20% de una disminución en la radiación de onda corta reflejada, y el resto de una disminución de la radiación de longitud de onda larga saliente. [15] [16] [17]

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Diagrama que muestra el balance energético de la atmósfera terrestre, que incluye el efecto invernadero.

Los principales gases atmosféricos ( oxígeno y nitrógeno ) son transparentes a la luz solar entrante, pero también son transparentes a la radiación térmica ( infrarroja ) saliente . Sin embargo, el vapor de agua , el dióxido de carbono , el metano y otros gases traza son opacos a muchas longitudes de onda de radiación térmica. La superficie de la Tierra irradia el equivalente neto del 17 por ciento de la energía solar entrante en forma de infrarrojos térmicos. Sin embargo, la cantidad que escapa directamente al espacio es solo alrededor del 12 por ciento de la energía solar entrante. La fracción restante, del 5 al 6 por ciento, es absorbida por la atmósfera por moléculas de gas de efecto invernadero . [18]

Los gases atmosféricos solo absorben algunas longitudes de onda de energía, pero son transparentes para otras. Los patrones de absorción de vapor de agua (picos azules) y dióxido de carbono (picos rosados) se superponen en algunas longitudes de onda. El dióxido de carbono no es un gas de efecto invernadero tan fuerte como el vapor de agua, pero absorbe energía en longitudes de onda (12-15 micrómetros) que el vapor de agua no, cerrando parcialmente la "ventana" a través de la cual el calor irradiado por la superficie normalmente escaparía al espacio. (Ilustración de la NASA, Robert Rohde) [19]

Cuando las moléculas de gas de efecto invernadero absorben energía térmica infrarroja, su temperatura aumenta. Luego, esos gases irradian una mayor cantidad de energía térmica infrarroja en todas las direcciones. El calor irradiado hacia arriba continúa encontrando moléculas de gas de efecto invernadero; esas moléculas también absorben el calor, y su temperatura aumenta y la cantidad de calor que irradian aumenta. La atmósfera se adelgaza con la altitud y, aproximadamente a 5-6  kilómetros , la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera suprayacente es tan tenue que el calor puede escapar al espacio. [18]

Debido a que las moléculas de gas de efecto invernadero irradian energía infrarroja en todas las direcciones, parte de ella se propaga hacia abajo y finalmente regresa a la superficie de la Tierra, donde es absorbida. Por lo tanto, la temperatura de la superficie de la Tierra es más alta de lo que sería si se calentara solo por calentamiento solar directo. Este calentamiento suplementario es el efecto invernadero natural. [18] Es como si la Tierra estuviera cubierta por una manta que permite la entrada de radiación de alta frecuencia (luz solar), pero ralentiza la velocidad a la que sale la energía radiante infrarroja de baja frecuencia emitida por la Tierra.

Un cambio en la porción radiada incidente del balance energético se denomina forzamiento radiativo .

La sensibilidad climática es el cambio de estado estable en la temperatura de equilibrio como resultado de cambios en el balance energético.

Forzamientos climáticos y calentamiento global

Desequilibrio energético esperado de la Tierra para tres opciones de forzamiento climático de aerosoles. El desequilibrio medido, cercano a 0,6 W / m 2 , implica que el forzamiento del aerosol está cerca de -1,6 W / m 2 . (Crédito: NASA / GISS) [20]

Los forzamientos climáticos son cambios que hacen que las temperaturas suban o bajen, alterando el equilibrio energético. Los forzamientos climáticos naturales incluyen cambios en el brillo del Sol, ciclos de Milankovitch (pequeñas variaciones en la forma de la órbita de la Tierra y su eje de rotación que ocurren durante miles de años) y erupciones volcánicas que inyectan partículas reflectantes de luz tan altas como la estratosfera . Los forzamientos provocados por el hombre incluyen la contaminación por partículas ( aerosoles ) que absorben y reflejan la luz solar entrante; deforestación , que cambia la forma en que la superficie refleja y absorbe la luz solar; y la creciente concentración de dióxido de carbono atmosférico y otros gases de efecto invernadero, que disminuye la velocidad a la que se irradia calor al espacio.

Un forzamiento puede desencadenar retroalimentaciones que intensifican ( retroalimentación positiva ) o debilitan ( retroalimentación negativa ) el forzamiento original. Por ejemplo, la pérdida de hielo en los polos, que los hace menos reflectantes, provoca una mayor absorción de energía y, por lo tanto, aumenta la velocidad a la que el hielo se derrite, es un ejemplo de retroalimentación positiva. [19]

El desequilibrio energético planetario observado durante el mínimo solar reciente muestra que el forzamiento solar del clima, aunque es natural y significativo, se ve abrumado por el forzamiento antropogénico del clima. [20]

En 2012, los científicos de la NASA informaron que para detener el calentamiento global , el contenido de CO 2 atmosférico tendría que reducirse a 350 ppm o menos, asumiendo que todos los demás forzamientos climáticos fueran corregidos. El impacto de los aerosoles antropogénicos no se ha cuantificado, pero se cree que los tipos de aerosoles individuales tienen efectos sustanciales de calentamiento y enfriamiento. [20]

  • Temperatura de equilibrio planetario
  • Las nubes y el sistema de energía radiante de la Tierra
  • Balance de calor interno de la Tierra

  1. ^ El calor interno de la Tierra y otros pequeños efectos, que de hecho se toman en consideración, son mil veces más pequeños; ver § El calor interno de la Tierra y otros pequeños efectos

  1. ^ a b c d e "Cartel de presupuesto energético de la Tierra de la NASA" . NASA. Archivado desde el original el 21 de abril de 2014 . Consultado el 20 de abril de 2014 .
  2. ^ IPCC AR5 WG1 Glosario 2013 "presupuesto energético"
  3. ^ IPCC AR5 WG1 Glosario 2013 "sistema climático"
  4. ^ a b Stephens, Graeme L .; Li, Juilin; Salvaje, Martín; Clayson, Carol Anne; Loeb, Norman; Kato, Seiji; L'Ecuyer, Tristan; Stackhouse, Paul W. y Lebsock, Matthew (2012). "Una actualización sobre el balance energético de la Tierra a la luz de las últimas observaciones globales". Geociencias de la naturaleza . 5 (10): 691–696. Código Bibliográfico : 2012NatGe ... 5..691S . doi : 10.1038 / ngeo1580 . ISSN  1752-0894 .
  5. ^ a b "Clima y presupuesto energético de la Tierra" . earthobservatory.nasa.gov . 14 de enero de 2009 . Consultado el 5 de agosto de 2019 .
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  10. ^ Archer, David (2012). Calentamiento global: comprensión del pronóstico, 2ª edición (2ª ed.). ISBN 978-0-470-94341-0.
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  16. ^ Sarah Hansen (12 de abril de 2021). "Ryan Kramer de UMBC confirma el cambio climático causado por humanos con evidencia directa por primera vez" . Universidad de Maryland, condado de Baltimore.
  17. ^ "Las observaciones directas confirman que los humanos están desequilibrando el presupuesto energético de la Tierra" . phys.org . 26 de marzo de 2021.
  18. ^ a b c Lindsey, Rebecca (14 de enero de 2009). "Presupuesto energético del clima y de la Tierra (Parte 6-Presupuesto energético de la atmósfera)" . earthobservatory.nasa.gov . Observatorio de la Tierra, parte de la Oficina de Ciencias del Proyecto EOS, ubicada en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA . Consultado el 5 de agosto de 2019 .
  19. ^ a b Lindsey, Rebecca (14 de enero de 2009). "Clima y presupuesto energético de la Tierra (Parte 7-Forzamientos climáticos y calentamiento global)" . earthobservatory.nasa.gov . Observatorio de la Tierra, parte de la Oficina de Ciencias del Proyecto EOS, ubicada en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA . Consultado el 5 de agosto de 2019 .
  20. ^ a b c Hansen, James; Sato, Makiko; Kharecha, Pushker; von Schuckmann, Karina (enero de 2012). "Desequilibrio energético de la Tierra" . NASA.

Informe del Grupo de Trabajo I del IPCC AR5
  • IPCC (2013). Stocker, TF; Qin, D .; Plattner, G.-K .; Tignor, M .; et al. (eds.). Cambio climático 2013: la base de la ciencia física (PDF) . Contribución del Grupo de Trabajo I al Quinto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático. Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, EE.UU .: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-05799-9. (pb: 978-1-107-66182-0 ).
  • IPCC (2013). "Anexo III: Glosario" (PDF) . IPCC AR5 WG1 2013 . págs. 1447–1465.

  • NASA: The Atmosphere's Energy Budget
  • Las nubes y el sistema de energía radiante de la Tierra (CERES)
  • Proyecto de presupuesto de radiación de superficie (SRB) de NASA / GEWEX