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(S-1) 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:


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 adecuado para la vida: el agua de Venus y
Mercurio se convertiría 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.
.
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 Un ciclón visto desde el
espacio.
la radiación IR se escape al
espacio. El aire en ese momento se enfría por la
liberación de la 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".