Atmósfera y radiación solar

Imagen: arco iris en el lago Palmer, cerca de Atlin, en la Columbia Británica, Canadá, 2014.

Todo fenómeno climático de la Tierra tiene origen en la llegada de radiación solar, por tanto es de especial interés saber como se comporta esa radiación cara a ver su efecto en el planeta. En esta entrada presentaremos la radiación solar y sus principales características, sin ánimo de entrar en demasiados detalles y enfocada al aspecto geográfico. La radiación solar se compone de una vertiente electromagnética y otra térmica.

La radiación electromagnética se caracteriza por la propagación en forma de ondas transversales de un campo magnético y un campo eléctrico, cuyos vectores son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, a la velocidad de 300 000 000 metros por segundo. Los campos se propagan en forma de onda provocando oscilaciones y dependiendo del tipo de radiación la longitud de esas ondas varía.

La longitud de onda (λ) y la frecuencia de la onda (v) son lo que permiten clasificar cada tipo de radiación electromagnética conformando el espectro electromagnético. Las ondas de radio (televisión, radio) son las de onda larga y baja frecuencia. Las siguen las microondas, la radiación infrarroja (que emite todo cuerpo con algo de calor) llegando a la luz visible con los diferentes colores representados por longitudes de onda distintas: del rojo (longitud larga) al violeta (longitud corta). Tras la luz que podemos ver con nuestros ojos se encuentra la radiación ultravioleta y más allá, con longitudes muy cortas y alta frecuencia, los rayos X y la radiación gamma (ϒ).

La λ se mide en nanometros (nm, 0’000001 mm) o micrometros (micras, µm, mil nm). La radiación solar oscila entre los 0’15 y los 4 µm, siendo una onda relativamente corta, mientras que la radiación terrestre se mueve entre 5 y 1000 µm. La luz visible se encuentra entre los 0’4 y los 0’75 µm.

Los diferentes fenómenos electromagnéticos se componen de haces de corpúsculos llamados fotones, que contienen energía, y han sido detectados de forma evidente. La radiación por tanto se comporta de forma dual, como una onda, continua, y como  corpúsculos, discontinua. Es imposible observar ambas características a la vez, aunque existen experimentos que confirman su presencia. De Broglie, Compton, Davisson y Germer en el siglo XX plantearon hipótesis y experimentos para demostrar esta doble naturaleza con éxito.

La radiación térmica es emitida por un material lo suficientemente condensado, medida en calorías (cal). El poder emisor de un cuerpo es la radiación emitida por unidad de tiempo por superficie y el flujo de radiación de ese cuerpo es la cantidad de radiación que atraviesa una superficie por unidad de tiempo medida perpendicularmente. Esto último se denomina constante solar, en el caso de la radiación solar que llega a la Tierra, y se mide en el límite de la atmósfera. La radiación que llega se puede medir también en kilolangleys (kcal/cm², Kly), se reciben unos 263 KLy por año en la atmósfera, la cual filtra el 47% de esa cantidad antes de que llegue a la superficie terrestre.

Toda radiación que entra en el medio terrestre sufre modificaciones en la velocidad y en el tipo de energía radiante. La atmósfera absorbe parte de esa radiación emitiendo calor en el proceso, la reflecta o la difunde, además la composición química de la atmósfera reacciona diferente a los diferentes tipos de radiación.

La luz visible y las ondas de radio pueden atravesar la atmósfera sin problemas, mientras que el agua absorbe las ondas largas, las bandas de Schumann (compuesta por O₂) y la de Hartley (O₃, ozono) absorben energía ultravioleta y el dióxido de carbono y el metano absorben la infrarroja. Además determinadas longitudes de onda de luz visible son reflejadas más por la atmósfera: mientras que las ondas largas pasan libremente, las ondas cortas (azules) son reflectadas creando el color del cielo. Según la cantidad de atmósfera a atravesar se reflectaran más o menos λ, de esta manera en el ocaso se dispersa más cantidad de luz azul, dejando solamente las ondas rojizas.

Existen varias leyes que gobiernan la radiación y que apuntamos a modo de anotación:

· Ley de Planck: que relaciona la λ con la emisión de energía a determinada temperatura. Según la temperatura del cuerpo emisor se emitirá un rango de λ, creando una curva donde determinadas λ se emiten más que las otras. Como apuntábamos, el Sol emite entre dos λ, pero su máximo de emisión se da en 0’475 µm.

· Ley de Stefan-Boltzmann: el poder emisor de un cuerpo es directamente proporcional a su temperatura. Derivada de la anterior.

· Ley de Wien: la longitud de onda máxima emitida es inversamente proporcional a la temperatura. Derivada de la de Planck.

· Ley de Kirchhoff: un cuerpo que absorbe radiación también la emite.

Los diferentes tipos de radiación no solo resultan de interés para el estudio atmosférico, también para el uso de imágenes por satélite para el análisis de usos del suelo, presencia de agua, incendios y por supuesto la nubosidad, mediante SIG y también modelos informáticos de predicción del tiempo atmosférico.

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La atmósfera terrestre

Exploración, concepto y composición

En el siglo XVII Blaise Pascal observó los diferentes cambios de presión en el aire e inició de esta manera los estudios atmosféricos. Confirmó que a medida que aumentaba la altitud cambiaba la presión tal y como comprobó en el Mont Ventoux (a 1900 metros sobre el nivel del mar) al sur de Francia. Dos siglos más tarde Julius von Hann continuaría su labor y comprobaría la existencia de inversiones termométricas dentro de los anti-ciclones. Mientras que Benjamin Franklin, por otro lado, ya había constatado que los rayos eran electricidad mediante su famoso experimento de la cometa. Diversos instrumentos como las nombradas cometas, los globos aerostáticos y, a partir del siglo XX, el radar y los aviones, han permitido analizar y medir las temperaturas, composición y la dirección de los vientos de la atmósfera. En las últimas décadas los satélites y la percepción remota se han convertido en la base fundamental del conocimiento atmosférico.

Actualmente se define a la atmósfera como un aerosol, un sistema coloidal de partículas sólidas y líquidas suspendidas en un gas. Es la capa gaseosa que envuelve el planeta Tierra y contiene partículas que flotan en ella, tanto liquidas como sólidas, incluyendo las nubes, un conglomerado de vapor y gotas de agua, cristales de hielo alrededor de polvo, esporas y polen. La composición química hasta 80 Km de altura del aire es de un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno, casi un 1% de argón y trazas de neón, helio, criptón, xenón y radón. Estos elementos varían en proporción según la capa de la atmósfera y a mayor altura respecto a la superficie las moléculas de nitrógeno y oxigeno se desintegran, eliminándose a los 1000 Km, mientras aumentan el helio y el hidrógeno.

Pero existen además una serie de compuestos químicos de carácter variable y de origen natural o humano que tienen una serie de efectos en el medio ambiente y en la calidad de vida de la humanidad. Los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, los óxidos nítricos, el metano, los clorofluorocarbonos, el agua y el ozono provocan el aumento de la temperatura terrestre y tienen su origen en los volcanes, los combustibles usados por los humanos, los gasoductos, los pantanos, la ganadería, los cultivos y los frigoríficos. Los clorofluorocarbonos a su vez también destruyen el ozono estratosférico que evita la entrada de la perniciosa radiación ultravioleta. Además de los óxidos nítricos los combustibles emiten también dióxido de azufre, ambos tóxicos y catalizadores de la lluvia ácida, sobre todo en zonas industriales. Las partículas en suspensión generadas en las ciudades y en los cultivos (polvo, humo, ceniza, sal, esporas y gotas) pueden provocar enfermedades cardíacas y respiratorias, alergias y asma. Para nuestra tranquilidad la presencia de la mayoría de esas substancias en el aire es rara, aunque en mayor proporción en las ciudades.

Finalmente comentar que la propia atmósfera se subdivide en diversas capas hasta el límite de 130 000 Km (magnetosfera, el campo magnético terrestre) donde la densidad de partículas y átomos es extremadamente baja; aunque el límite más adecuado de la atmósfera es la exosfera a 15 000 Km de altura. Aun así la densidad a esas alturas es ya muy baja, teniendo en cuenta que el 80% de la masa de la atmósfera se concentra en los primeros 1’5 Km de altura, en la troposfera, donde la temperatura media es de 15ºC gracias al calentamiento provocado por el agua y el dióxido de carbono principalmente.