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53. Algunas cuestiones -simples- sobre el clima. Temperaturas planetarias en el Sistema Solar.

¿Qué tiene de especial la Tierra? Pues que es confortable. El universo es hermoso. Pero la Tierra es acogedora. Es la distinción que Kant hizo sobre lo bello y lo sublime. La Tierra es bella porque nos es es amable. Aquí se está calentito. Y todo se lo debemos a nuestra atmósfera, que es la mantita que nos protege y calienta. ¿No?

1.- La temperatura superficial de los planetas del Sistema Solar depende en un 99 % de su distancia al Sol. 

En la gráfica anterior se enfrenta la distancia al Sol de los planetas del Sistema Solar salvo Venus y con el añadido de La Luna, con su temperatura superficial.

Las temperaturas de Mercurio, Venus y la Tierra son de esta página de la NASA; para la Luna, después de mucho buscar y no encontrar nada fiable, asumo que es igual a la temperatura efectiva; los de Marte, Júpiter y Saturno son de esta publicación; los de Urano, de una breve nota en este librolos de Neptuno de aquí; y los de Plutón, de esta noticia.

Si alguien tiene datos mejores y actualizados para afinar esta última columna, le agradeceré mucho que me facilite las referencias.

Bueno, y ahora vamos a la Ley que rige la temperatura superficial observada en la superficie de los planetas y lunas del Sistema Solar.

y=281,93 x^(-0,492)

La expresión en términos generales es:

f(t)=T D^(-0,5)

T es la temperatura de un planeta dado y D su distancia al Sol. Esta expresión simplemente mide la dispersión de la radiación solar al alejarse del Sol. Es la relación entre dos esferas de radio d-d’=D. Es un cálculo sencillo. Si queréis hacerlo vosotros mismos, aquí lo explica muy bien.

Y como la unidad de medida elegida es la unidad astronómica, que es la distancia de la Tierra al Sol, 281,93 es la temperatura teórica de un planeta situado en este lugar: la Tierra (o la Luna). 

2.- La temperatura de los planetas no se aleja más de 12 º de sus temperaturas de equilibrio como cuerpos negros. 

El Sol emite luz en un espectro de electromagnético con una determinada envolvente de intensidad, y esa integral es equivalente a la que emitiría un cuerpo negro, o sea, un sólido totalmente opaco y absorbente, a unos 6.000 ºK. Éso es lo que decimos cuando decimos que la temperatura del Sol es de seis mil grados.

Un segundo sólido negro que reciba la energía del Sol la absorberá por entero, sin reflejar ni transparentar nada; se calentará y remitirá al espacio una cantidad igual de energía pero en un espectro eletromagnético diferente, característico de la temperatura alcanzada. De este modo cada espectro electromagnético es como una firma de una temperatura. Así es cómo se determina la temperatura de los planetas en los que no hemos estado. Se mide su espectro y se calcula cuál sería la temperatura del cuerpo negro teórico que emitiría ese espectro. Hecho esto, se establece que ésa es la temperatura del planeta.

Y luego está la temperatura de equilibrio.

La temperatura de equilibrio de la Tierra es de 279 ºK, unos 6 ºC. Es la que tendría un sólido negro perfecto del mismo radio. La temperatura presente de la superficie terrestre es de 287 ºK, unos 15 ºC. Así que la Tierra está unos 9 º (un 3 %) por encima de su temperatura de equilibrio.

De cualquier modo vivimos un breve interludio cálido en un periodo glaciar. En los últimos cientos de miles de años la temperatura media de la Tierra ha sido unos 7-8 º menor.

En amplias zonas del Ártico los suelos permanecen congelados hasta profundidades de varios cientos de metros, herencia de los fríos pasados. Es, en cierto modo, un frío fósil. Los 15.000 años de aumento de las temperaturas no han conseguido templar la inercia térmica del planeta. Y si atendemos a la temperatura de los océanos, nos acercamos todavía más a la temperatura de equilibrio. Diversas fuentes estiman que la temperatura media de los mares de la Tierra es de unos 4-5 ºC, es decir, uno o dos por debajo de la temperatura de equilibrio.

El planeta más alejado de su temperatura de equilibrio (dejando aparte Venus, que eso, es para darle de comer aparte) es Saturno, que lo está 12 ºK, un 15 %. La desviación media de temperatura en los planetas es de 7,6 ºK, un 6,7 %.

3.- Efecto invernadero y albedo.

Los climatólogos consideran dos mecanismos principales en la formación del clima de los planetas, con sentidos contrarios el uno del otro: el albedo y el efecto invernadero.

El albedo mide la reflexión de la energía procedente del Sol. La energía reflejada no aumenta la temperatura del espejo, ni de la Tierra. El ejemplo de libro es la nieve, que no se funde al Sol debido a su color blanco. Hay un albedo visible, que es el que afecta al espectro de luz visible, y hay un albedo global, que afecta a todo el espectro de luz y que los planetólogos llaman bond albedo.

Y luego está el efecto invernadero. En realidad no hay una definición física. Es un conjunto de procesos atmosféricos que hacen que la superficie de los planetas tengan una temperatura media superior a la de equilibrio. Así que la temperatura de los planetas es la temperatura de equilibrio menos el efecto del albedo y más el efecto invernadero.

En teoría, el albedo es fácil de calcular. Solo hay que medir la energía reflejada por el planeta. Esta luz reflejada mantiene la forma del espectro original del Sol. Solo necesitamos medirla a la sombra del Sol. Este experimento, en el espectro visible, lo hacemos cada noche de Luna. La luz que rebota en la Luna -y que tiñe de color blanco la Luna- es la luz del Sol vista desde una posición a la sombra. De día la Luna y su débil reflejo quedan diluidas en la potente luz solar, y no nos es posible diferenciar la una de la otra, la reflejada de la directa.

Si restamos a la temperatura de equilibrio el efecto del albedo tenemos la temperatura de cuerpo negro del planeta. Ésa es la teoría. Ahora vamos con la práctica.

La tabla anterior muestra en la primera columna la distancia (D) del Sol a los planetas y en las tres siguientes las temperaturas de cuerpo negro del planeta (TCN) tomadas de esta web de la NASA, las de equilibrio (TEQ), calculadas mediante la Ley de Stefan-Boltzmann, y las observadas (TOB), sacadas de las fuentes que ya di.

La quinta columna (TOB-TEQ) muestra la desviación en grados de la temperatura observada respecto de la temperatura de equilibrio.

La sexta resta la temperatura de cuerpo negro de la de equilibrio (TCN-TEQ), y es por tanto, según la definición de temperatura de cuerpo negro, la contribución en grados (negativos) del albedo actual.

Por último, la diferencia entre las temperaturas observadas y de cuerpo negro mide la la contribución del efecto invernadero en la temperatura de la superficie de los planetas. Es la medida del efecto invernadero.

Incluso evitando los valores de Venus, es evidente la relación positiva entre albedo y efecto invernadero. Es decir, a mayor efecto invernadero, más albedo. Y viceversa.

La relación entre efecto invernadero y albedo es una de esas reconocidas retroalimentaciones del clima terrestre de las que tanto partido sacan los calentólogos del CO2, aunque resulta difícil entender cómo podría un mismo mecanismo actuar sobre atmósferas y climas tan dispares como las de los distintos planetas del Sistema Solar.

En realidad, lo que la relación sí parece poner en duda es el mismo supuesto que está detrás del concepto de temperatura de cuerpo negro. Porque, si el albedo disminuye con el efecto invernadero, ¿qué sentido tiene aplicar el albedo actual de planetas sin atmósfera?

Pero es al plantear los balances energéticos asociados a las temperaturas cuando el planteamiento se pone, como dicen los portugueses, patas pro ar; o sea, patas arriba.

4.- Des-balance energético de los planetas como cuerpos negros a TOB. 

La radiación solar es la que controla el clima de la Tierra: de un modo temporal determina los cambios del día a la noche, la sucesión de estaciones, las eras glaciares y, los ciclos de Milankovitch, y en todo momento, la zonación climática por latitudes. Lo mismo hace en el resto de planetas (salvo en Venus).

Ahora comparemos las energías incidentes del Sol con las radiantes de un cuerpo negro a temperatura media observada en la Tierra. La emisión de un cuerpo negro a una temperatura dada es proporcional a a la cuarta potencia de la temperatura (en ºK). O sea, que solo hay que elevar la TOB a la cuarta potencia y multiplicar por la constante σ = 5,67E-08

 j=σ T^4.

En la primera columna, el albedo (bond albedo), según la página de la NASA (el de Plutón, que la Nasa da 0,4-0,6 está estimado en relación de la TCN de esa misma página).

En la segunda, la radiación solar para cada planeta según su distancia al Sol multiplicada (disminuida) por el factor de albedo.

En la tercera, la energía radiante de un cuerpo negro a TOB de cada planeta.

En la cuarta, la relación en % entre la energía entrante y saliente. Para hacer esta relación hay que dividir por cuatro el valor de la columna 2 o multiplicar por cuatro el de la 4, ya que la energía radiante se proyecta sobre una superficie plana (un círculo), pero la superficie de los planetas son volumétricas, asimilables a esferas. Y 4 (o 1/4) es la relación entre la superficie de la esfera y el círculo.

Bueno, pues los resultados están ahí y hablan por sí mismos. Resulta que la energía radiante de la superficie de la Tierra según su supuesta temperatura media es 1,6 veces la que recibe; 1,5 veces para el caso de Marte; 2,2 veces en el caso de Júpiter…

Eso no puede ser. La Tierra no es una central térmica.

Prácticamente toda la energía procede del Sol. La contribución de la energía interna es mínima. Y lo mismo con la mayor parte de los demás planetas (salvo en Venus, y quizá en alguno de los jovianos, pero muy poco en éstos). Así que algo está mal. Y no son los cálculos, sino su interpretación.

Por supuesto, no descubro nada con los datos de la Tabla. Esto lo sabe cualquier climatólogo, aunque tampoco lo airean, claro. Porque entonces tienen que ponerse a explicar muchas cosas.

La primera reacción es decir que la Tierra no es un cuerpo negro perfecto. Que en medio está la atmósfera. Para la Luna y Mercurio, que no tienen atmósfera, la energía radiante coincide con la energía incidente menos la reflejada (albedo). También coincide en Urano, aunque tiene atmósfera. Pero es que Urano está muy frío, y muy lejos, tampoco se conoce bien qué pasa allí. Y luego blablablá, blablabla, y entonces se ponen a explicar las complicadísimas químicas atomsféricas reproducidas por modelos trampeados con todo tipo de ajustes (efectos).

Pero la base de todo sigue siendo la energía del Sol,¡qué remedio! Y al final, sea como sea, la energía radiante debe ser igual a la insolación. Es impepinable. Es el primer principio de la Termodinámica. En resumen: la Tierra es, pero no es, un cuerpo negro. Esa es la explicación habitual. Un sí-es-no-es. Nada por aquí, nada por allá: ¡¡tachán!!

Pero no claro. Hay una explicación mejor. Y es, como prometí, simple.

5.- La TCN es la temperatura media de la atmósfera. En la Tierra: 254,3 ºK; -18,65 ºC

La TCN es la auténtica medida de las temperaturas medias de los planetas. Por eso sigue siendo una medida útil para los planetólogos.

Desde luego, decirle a la gente que la temperatura media de nuestra atmósfera es de -19 ºC no sería de mucha ayuda para alarmar al público por el calentamiento global. Así que se obvia esta realidad y en cambio se cuenta lo mucho que aumentan las temperaturas aquí o allá. Pero la realidad es que si una parte de la atmósfera se calienta, alguna otra debe enfriarse en una cuantía equivalente. Aunque incluso este enfriamiento es usado para mantener la alarma por el calentamiento global debido al CO2, o simplemente, confundir.

No es el efecto invernadero sino el albedo el que determina la TCN y, por tanto, temperatura media de la atmósfera. 

Modificar el albedo es la única forma ne la que podemos variar la temperatura media de la atmósfera terrestre. No hay otra forma posible. La atmósfera recibe toda la energía del Sol y no puede irradiar más calor del que capta. No, desde luego, un 40 % o un 60 %. Es, sencillamente imposible.

6.- La insolación marca la temperatura máxima que se puede alcanzar en un planeta. En la Tierra: 331 ºK; 58º C.

El que calienta es el Sol, no la atmósfera, que solo redistribuye el calor. Así que la insolación máxima es la que nos determina las temperaturas máximas.

El albedo refleja un tercio de la radiación solar que nos llega, pero no lo hace de modo homogéneo. La mayor parte del albedo lo generan las nubes. Basta con salir de la sombra y ponernos al Sol una fría mañana de invierno o un tórrido medio día de verano para sentir de inmediato el poder calórico del Sol. Por eso el Sol puede llegar a quemarnos, aunque la temperatura del aire sea agradable, y por eso la luz del Sol puede evaporar el agua incluso sin viento. Cayendo a plomo, sin filtrar, la radiación puntual del Sol sería de 1363 W/m2, equivalente a la de un sólido a 115 ºC. Y no hay que ir a la Luna para alcanzar temperaturas cercanas a los cien grados centígrados. Todos sabemos que no conviene tocar una chapa metálica al Sol un día de verano, o el volante del coche.

Gracias que a lo largo del día el Sol va calentando el aire, éste se renueva refrescando el ambiente. Pero si consideramos un lugar del trópico seco un día cualquiera de verano, un día de esos que el Sol de mediodía sube hasta lo alto del firmamento, y que el reparto día/noche es de doce horas, tenemos que la radiación solar media será de 681 W/m2, equivalente a una temperatura de cuerpo negro de 58 ºC. Ése es el límite de temperatura que se puede alcanzar en la Tierra.

La zonación climática de la Tierra está controlada por la insolación. Sin embargo, claro, eso no es todo.

Desde donde yo escribo esta entrada, en Vigo, a una latitud de 42 º norte, y no hoy, que jarrea y tenemos lo menos cuatro kilómetros de nubes encima de nuestras cabezas, pero puede que sí un solsticio de junio cualquiera, cuando la eclíptica nos acerca a 18 º del ecuador solar, la insolación máxima teórica es un 95 % de la máxima en el ecuador. Pero ni con esas. En Vigo no alcanzamos máximas de 40 ºC. Hay muchas razones para justificar esto, pero solo una causa: la inercia climática.

8.- El clima es un sistema inercial. El efecto invernadero es un sistema de referencia no inercial.

Todos sabemos que el momento más caluroso del día no llega cuando el sol está más alto, (mediodía solar) sino un poco después. Por la noche, el momento más frío llega casi de mañana, a veces justo cuando sale el Sol. Aquí, en Vigo y en muchos otros lugares templados, el mes más caluroso suele ser agosto, o el período de julio-agosto, aún cuando la máxima insolación ocurre en junio.

La inercia climática reduce las diferencias climáticas entre el día y la noche y de verano a invierno. Y lo hace mediante la transferencia de calor de unas latitudes a otras y de unas profundidades a otras. No se reduce a un efecto atmosférico. Intervienen los mares y el subsuelo. Pero si no nos situamos en la adecuada perspectiva, en el espacio y el tiempo de estas tendencias lo que advertimos es eso: extraños efectos.

En números redondos, la capacidad calorífica del aire es de 0,24 kcal/kg, y 1 atmósfera de presión es equivalente a 10.000 kg de aire sobre el nivel del mar, de modo que la capacidad calorífica de la atmósfera es de unas 2.400 kcal/m2 de superficie terrestre. La mayor parte de este calor se encuentra almacenado en la Troposfera, donde se aprieta casi toda la masa atmosférica.

Pero la energía calorífica de la atmósfera sobre 1 m2 de superficie terrestre es la que podemos almacenar en 2,4 m3 de agua. Los mares ocupan 7/10 partes de la superficie, de modo que los primeros 3,5 metros de los océanos tienen la misma capacidad calórica que toda la atmósfera.

La capacidad calórica de los continentes es menor, pero también considerable. El granito tiene un calor específico de 0,19 kcal/kg y una densidad de 2,5 Tn/m3, de modo que cualquier terreno granítico puede almacenar tanto calor por grado de temperatura en unos 5 metros de profundidad como toda la atmósfera que tenga encima.

De hecho los granitos superficiales almacenan mucho más energía calórica que la atmósfera. En Galicia, la temperatura media es de unos 14 ºC, y los granitos o jabres, casi siempre siempre con alta humedad -y por tanto con mayor calor específico que la dada antes-, mantienen temperaturas superiores a los 14 º C hasta profundidades de 10 o  20 metros, a veces incluso más.

Los granitos tienen una muy baja conductividad térmica. El agua más baja aún. Pero el agua es un fluido, como el aire. En ellos el calor se transporta por convección. Se forman vientos y corrientes.

9.- Qué decimos cuando decimos clima.

Ya lo dije por ahí. Hay que saber qué decimos cuando decimos clima terrestre. La cosa no se reduce a la atmósfera. Los océanos forman parte del clima. Incluso los continentes forman parte del clima.

Y hay que entender qué decimos cuando decimos que la Tierra y el resto de planetas se comportan como un cuerpo negro. Solo tenemos que entender que su superficie tiene profundidad. El clima no lo hace la atmósfera. Es mucho más. Ni siquiera la Luna es un cuerpo negro perfecto. Durante la noche la temperatura de la cara oculta de la Luna no cae al cero absoluto. No tiene tiempo de enfriarse. De modo que la corteza mantiene su calorcito residual. No hay atmósfera en la Luna. Pero hay clima.

No es ninguna mágica manta de CO2 la que hace de paraguas y nos mantiene calentitos. La atmósfera forma parte de la superficie de cuerpo negro de la Tierra, pero esta superficie alcanza las profundidades del océano e incluso profundiza en los continentes. Mares y continentes sostienen las temperaturas mínimas. Aportan humedad y la recogen. Flujos de calor y frío en el océano se mueven lentamente y afloran cada tantos años, siglos o, incluso milenios, para generar los fenómenos globales del Niño y la Niña o las sucesiones de periodos glaciares e interglaciares.