BIOLOGÍA y GEOLOGÍA

MATERIAL DIDÁCTICO ESO BACHILLERATO

03 EL MODELO DEL CLIMA TERRESTRE

El estudio del clima es de vital importancia para nosotros. Después de ver el video ¿Sabrías decir por qué? Vamos a analizar las principales variables que influyen sobre el clima terrestre y su representación mediante modelos caja blanca.

La Tierra como sistema caja negra

Utilizando un enfoque caja negra podemos considerar a la Tierra como un sistema cerrado: entra y sale energía aunque no materia (despreciando la entrada de materia procedente de los meteoritos, dada su poca masa relativa).

La energía que entra es radiación electromagnética solar (luz visible, mayoritariamente). La energía sale como radiación reflejada y como radiación infrarroja (calor), procedente de la superficie terrestre previamente calentada por el Sol.

La Tierra es un sistema en equilibrio dinámico desde el punto de vista térmico, ya que autorregula su temperatura, manteniéndola a unos 15 °C como media. Para entender cómo se autorregula, tenemos que conocer el modelo de sistema de caja blanca que explicamos a continuación.

La Tierra como sistema caja blanca

La máquina climática es el sistema caja blanca que regula el clima planetario y está formado por la interacción de un conjunto de subsistemas terrestres: atmósfera, hidrosfera (océanos y ríos), geosfera (parte sólida y mineral de la Tierra) y biosfera (seres vivos terrestres y acuáticos). Algunos autores consideran a los hielos (la criosfera) como un subsistema independiente de la hidrosfera.

Para hacer predicciones meteorológicas a muy corto plazo (horas o días) se estudian las variaciones de la ATMÓSFERA (presión, humedad, temperatura, dirección de los vientos). Su precisión es asombrosa. Haz la prueba en en siguiente enlace: El Médano y comprueba la predicción con datos reales: El Cabezo.

Para predicciones de toda una década, se utilizan además datos de la HIDROSFERA (corrientes oceánicas superficiales) y GEOSFERA (erupciones volcánicas).

Para predecir escenarios de tiempo superiores hay que tener en cuenta también las corrientes oceánicas profundas, la BIOSFERA (acción de los seres vivos sobre los cambios en la atmósfera) y la CRIOSFERA (hielo que cubre la superficie terrestre).

Vamos a ver algunas de las interacciones climáticas que podemos entender más fácilmente.

El efecto invernadero y su incremento

El efecto invernadero se origina en la TROPOSFERA, los primeros 12 km de la atmósfera. Se debe a la presencia de ciertos gases, tales como vapor de agua, dióxido de carbono, metano (CH4) y óxidos de Nitrógeno (N2O) principalmente. Estos dejan pasar la radiación visible proveniente del Sol, que los atraviesa, pero no a la radiación infrarroja o calor emitido por la superficie terrestre. Los citados gases, al impedir la salida de gran parte de las radiaciones infrarrojas, las remiten o devuelven a la Tierra, incrementando la temperatura de la atmósfera.

Los gases de efecto invernadero actúan como un manto que mantiene la temperatura terrestre en torno a 15 °C como media. Esto permite la existencia de agua líquida, sin la cual no existiría la vida. La cantidad de calor atrapado dependerá de la concentración de los gases de efecto invernadero en la atmósfera. Dicha concentración varía por la influencia de ciclos naturales como el ciclo del agua y el ciclo del carbono, que resultan de las interacciones de la atmósfera con otros subsistemas terrestres.

La ausencia de efecto invernadero sería fatal para el desarrollo de la vida. ¿Imaginas cómo serían las variaciones diurnas y nocturnas de la temperatura, sin dicho efecto?

Otra cosa muy distinta es el denominado incremento de efecto invernadero, que consiste en un aumento desmesurado de los gases de efecto invernadero. Este incremento constituye un grave problema ambiental, ya que provoca un excesivo calentamiento de la atmósfera por la acción humana, como la deforestación, la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) o los incendios.

El efecto del albedo

El albedo es el porcentaje de radiación solar reflejada por la Tierra del total de la que incide procedente del Sol. Por ejemplo, si decidimos que el albedo de la Tierra es del 40 %, quiere decir que solo entra el 60 % del total, mientras que el resto es reflejado hacia el espacio. El albedo varía en función del color de la superficie reflectora. Cuanto más clara sea esta, mayor cantidad de luz reflejará, mayor será su albedo y, por tanto, menor será la temperatura.

Las superficies cubiertas por nieve o hielo son muy reflectoras, poseen un elevado albedo. Luego, al aumentar la superficie helada, aumenta la radiación reflejada y disminuye la temperatura. Este descenso de la temperatura, aumentará aún más la superficie helada. Este bucle de realimentación positiva acelera el efecto de una glaciación cuando se presenta.

Las nubes

Las nubes tienen una doble acción sobre el clima: por una parte, incrementan el albedo, reflejando parte de la radiación solar y, por otra, devuelven a la superficie terrestre radiación infrarroja, incrementando el efecto invernadero. Estudios muy recientes parecen afirmar que el tipo de bucle predominante dependerá de la altura a la que se encuentre la nube; si la altura es baja, aumentará el albedo y, si es alta, el efecto invernadero.

Con las tres variables estudiadas hasta el momento, podemos elaborar un modelo sencillo del funcionamiento del clima terrestre, suponiendo un flujo de radiación solar constante.

Uno de los efectos ambientales del calentamiento global es la retirada del hielo en la superficie terrestre. Su retirada una vez iniciada parece ser que se acelera cada vez más.

Qué puede ocurrir si los glaciares de la tierra merman muy deprisa? ¿Se romperá el bucle refrigerante del albedo? ¿Cómo afectará a las corrientes oceánicas?

La existencia de polvo atmosférico

Las emisiones de los volcanes, el impacto de los meteoritos, los incendios, la contaminación del aire o una explosión nuclear, inyectan en la atmósfera enormes cantidades de polvo y partículas que permanecerán en suspensión durante años.

La luz del Sol no puede atravesar la capa de polvo atmosférico y se refleja hacia el espacio. Al incidir una menor cantidad de radiación solar, se origina un enfriamiento del planeta que, en el caso de ser nula, daría lugar a un parón de la fotosíntesis y a un colapso de las cadenas alimentarias de la vida. Podríamos considerarlo como un efecto invernadero invertido, ya que el rebote de las radiaciones es hacia arriba y su efecto sobre la temperatura, contrario.

Los volcanes

Las erupciones volcánicas, al igual que las nubes, ejercen un doble efecto sobre el clima en función de los productos emitidos y la altura alcanzada por éstos. El lugar donde se produce la erupción también influye en la dispersión de las emisiones.

Si la erupción tiene lugar cerca del ecuador las cenizas pueden propagarse hacia los polos gracias a las células de Hadley y Ferrel pero si se produce en latitudes altas las cenizas quedan restringidas al hemisferio donde se produjo la erupción y su efecto será menor
  1. Por un lado pueden provocar un descenso de la temperatura, si inyectan en la atmósfera una gran cantidad de polvo o abundante SO2. Ya hemos visto que el polvo atmosférico aumenta el albedo. Lo mismo sucede con los SO2, ya que reaccionan con el agua atmosférica dando lugar a unas espesas brumas constituidas por H2SO4 que actúan como pantalla solar.
  2. Aumento de la temperatura por aumento del efecto invernadero como consecuencia de las emisiones de CO2. Este efecto no es evidente hasta que no desaparece el primero; sin embargo, es mucho más duradero.

En conclusión, podemos decir que los volcanes originan un descenso de las temperaturas a corto plazo y un ascenso a largo plazo.

Las variaciones de la radiación solar incidente

En los modelos anteriores consideramos un flujo de radiación solar constante, pero esto no es así, sino que ha variado a lo largo de los tiempos. Ha habido dos tipos de variaciones: periódicas y graduales.

Variaciones periódicas

Son unas variaciones cíclicas de la temperatura terrestre que se atribuyen a los ciclos astronómicos de Milankovitch, que afectarán tanto a la cantidad de energía solar que llega a la Tierra como a la parte de su superficie que la recibe. Se cree que dichos ciclos son el factor principal de las glaciaciones, ya que, al disminuir la radiación incidente, se reduce la temperatura, con lo que se activa el bucle de hielo-albedo.

Estos ciclos se deben a tres factores:

  1. La excentricidad de la órbita terrestre varía desde más circular a más elíptica, aproximadamente a lo largo de 100.000 años (cuanto más alargada sea la elipse, más corta será la estación cálida).
  2. La inclinación del eje (oblicuidad). Aproximadamente a lo largo de 41.000 años varía el ángulo de inclinación del eje de rotación terrestre (23º 27’). Este ángulo determinará las diferencias de duración entre el día y la noche y la existencia de las estaciones. Con un eje vertical, ambos tendrían una duración de 12 h y no habría estaciones.
  3. La posición en el perihelio (precesión). Varía a lo largo de 25.800 años. En la actualidad, la Tierra está en el perihelio en el invierno del hemisferio norte (verano del hemisferio sur). Durante el verano de dicho hemisferio, la Tierra se encuentra en el afelio. Lógicamente, hará más calor en los veranos del perihelio que en los del afelio y los inviernos del afelio serán mucho más fríos que los del perihelio, como ocurre ahora en el sur, pero allí no se nota tanto, porque abundan los océanos que suavizan el clima.

Variaciones graduales

Antes de la aparición de la vida, el Sol emitía un 30 % menos de energía que en la actualidad. Esto se explica por el principio de entropía (a medida que se va degradando la energía, se va desprendiendo más calor).

La influencia de la biosfera

La Tierra es como un sistema homeostático, cuya temperatura se autorregula debido a las interacciones entre los diferentes subsistemas que lo componen; nuestra biosfera desempeña un papel fundamental en dicha regulación porque rebaja los niveles de CO2 atmosféricos y, por tanto, reduce la temperatura. Vamos a analizar los principales cambios en la composición atmosférica a lo largo de la historia de la Tierra.

Al comienzo de la historia de la Tierra, la concentración de CO2 era muy elevada (cercana al 20 %), lo que implica la existencia de un efecto invernadero muy elevado, capaz de mantener la temperatura media planetaria en unas cifras muy parecidas a las actuales, a pesar de que el Sol emitía una menor cantidad de energía.

Hoy, con un Sol más caliente, la temperatura media del planeta es similar a la de entonces, debido a la drástica reducción de los niveles de CO2 atmosférico (hasta alcanzar el valor actual del 0,03 %) ocasionada por la aparición de los primeros organismos fotosintéticos: las cianobacterias (hace unos 3.000 millones de años), que utilizan dicho gas en la elaboración de materia orgánica.

El mecanismo de la fotosíntesis provocará los siguientes cambios en la composición de la atmósfera y en el clima:

La fotosíntesis produce una reducción del efecto invernadero y contribuye a refrescar el planeta a medida que el Sol irradia más calor. El dióxido de carbono es retirado de la atmósfera y transformado en materia orgánica que se acumula en los seres vivos en forma de biomasa.

Además, existen otros almacenes de CO2: los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), formados a partir de la biomasa que ha sido enterrada, al no haber oxígeno, pasan por una serie de reacciones químicas que concluyen al formarse el combustible. Como este proceso dura miles o millones de años, al igual que la biomasa, contribuye a rebajar los niveles atmosféricos de CO2.

Por otro lado, mediante el mecanismo de la respiración, los seres vivos llevan a cabo la reacción inversa a la anterior, con lo que devuelven a la atmósfera parte del dióxido de carbono sustraído. Sin embargo, la reacción de respiración es mucho más lenta que la de fotosíntesis y, como resultado de la proliferación de la vida, el oxígeno atmosférico va aumentando.

En un principio, el oxígeno permanecería en el agua marina. Hace unos 2.000 millones de años, los océanos se saturaron y el O2 liberado durante la fotosíntesis comenzó a difundirse hacia la atmósfera y su concentración fue aumentando progresivamente a través de los tiempos, hasta alcanzar el 21 % de la composición atmosférica actual. La abundancia de oxígeno en la atmósfera posibilitó la aparición y la proliferación de organismos aerobios, que utilizan este gas en el proceso de respiración.

Formación de la capa de ozono

La abundancia de oxígeno en la atmósfera permitió la formación de la capa de ozono (O3), protectora de los rayos ultravioleta del Sol (hace unos 600 millones de años); así, al estar protegidos de los rayos letales, los organismos vivos se expandieron con rapidez sobre los continentes hasta alcanzar la cifra aproximada de 40 millones de especies que actualmente pueblan la Tierra.

CONCLUSIÓN

¿Es la Tierra un planeta único? ¿Qué factores han hecho posible la vida en nuestro planeta? La existencia de agua en los tres estado es inusual en un planeta. Gracias a ello tenemos un ciclo hidrológico, atmósfera y clima. El clima en nuestro planeta, depende de:

  • La actividad solar variable a lo largo de la Historia de la Tierra
  • La cantidad de C02 en la atmósfera, regulado por: Disolución en océanos, incorporación a océanos y nueva liberación por la tectónica.
  • Actividad de los seres vivos
  • Efecto albedo y liberación de C02 desde los océanos en épocas glaciares.
  • El sistema Tierra-Luna

ACTIVIDADES DE EVALUACIÓN

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