Óptica atmosférica según el chupacabras
En los comentarios, un lector denunció que el cambio climático se trata de una farsa antes de citar un blog de teorías de la conspiración que reseña un estudio de la NASA y saca de contexto los resultados para tratar de desacreditar la realidad del cambio climático. El autor de dicho blog conspiracional evidencia un desconocimiento absoluto de cómo funciona la atmósfera o, peor, un dolo terrible al desinformar al público.
Brevemente, el comunicado de la NASA describe los estudios que realizaron sobre la tormenta solar de marzo del año pasado. El comunicado indica que el bióxido de carbono de la ionósfera atrapó gran cantidad de la energía que emitió el Sol y evitó esa energía llegara a la superficie terrestre y nos cocináramos todos. Efectivamente, el mismo comunicado enfatiza que el bióxido de carbono y el óxido nítrico son los mejores refrigerantes con los que cuenta la atmósfera y el año pasado evitaron la llegada a la superficie terrestre de suficiente energía como para mantener funcionando a la ciudad de Nueva York durante dos años.
Después de leer el párrafo anterior no suena tan disparatado concluir que si la NASA dijo que el bióxido de carbono en la ionósfera funciona como refrigerante del planeta, entonces siempre no sería cierto que ese gas sea responsable del calentamiento global. Sin embargo, las propiedades ópticas del bióxido de carbono –y de los gases de efecto invernadero en general– son los que permiten que funcione como refrigerante en las capas superiores de la atmósfera y como calentador cerca de la superficie terrestre.
En los primeros 20 kilómetros de la atmósfera, empezando a contar desde el nivel del mar, el bióxido de carbono y los otros gases de efecto invernadero absorben prácticamente toda la radiación infrarroja que emiten los océanos y los continentes. Ese fenómeno permite que la temperatura nocturna de la Tierra se mantenga en rangos compatibles con la vida, pero a mayor concentración de gases de efecto invernadero, mayor es la energía que se queda atrapada en la parte baja de la atmósfera y así se da el calentamiento global.
Por su parte, en la ionósfera, a más de 100 kilómetros de altura, las moléculas de gas absorben gran parte de la radiación que llega del Sol, incluyendo la de las tormentas solares. De hecho, la ionósfera puede alcanzar temperaturas mayores a 700 grados Celsius. Sin embargo, dado que en el exterior de la atmósfera ya no hay una envoltura de varios kilómetros de gas que siga absorbiendo la radiación infrarroja emitida por las moléculas de bióxido de carbono y óxido nítrico a 700 grados Celsius, dicha energía se disipa hacia el espacio en lugar de quedarse atrapada como ocurre cerca de la superficie del planeta.
A continuación va una explicación detallada. Quienes tengan poco tiempo, pueden brincarse hasta la elipse del final. Sin embargo, todo el material va a venir en el examen.
1. El Sol emite radiación electromagnética en un espectro muy amplio. La mayor parte de la radiación que llega a las capas externas de la atmósfera –la línea roja en esta figura– es en el visible. La capa de ozono en la estratósfera filtra el utravioleta y los distintos gases de invernadero absorben radiación en el infrarrojo. Como resultado, la mayor parte de la radiación solar que llega a la Tierra (la superficie roja de la misma figura) es luz visible. Esa radiación puede ser absorbida en la superficie terrestre y en algunos casos puede ser transformada, por ejemplo, a través de la fotosíntesis el resto lo absorben los fases, el agua y el suelo, los cuales aumentan su temperatura –quien lo dude y esté de vacaciones en la playa puede hacer el experimento de caminar descalzo de la palapa al mar–.
2. Tangente necesaria: todo objeto cuya temperatura sea superior al cero absoluto (–273 grados Celsius) emite radiación electromagnética. La longitud de onda (o el “color”) predominante esa radiación emitida por un cuerpo depende de su temperatura superficial. Por ejemplo, el Sol emite predominantemente luz visible porque su temperatura superficial es de 6,051 grados Celsius. En cambio, la superficie de la Tierra emite radiación en el infrarrojo porque su temperatura como de 20 grados Celsius en promedio.
3. Dada la temperatura de su superficie, la Tierra emite radiación infrarroja. Regresemos a la figura de la óptica atmosférica, las curvas azul, morada y negra muestran el espectro de la radiación electromagnética emitida por la superficie del planeta, dependiendo de si se está en los polos (210 K = – 63 grados Celsius) o en los trópicos (310 K = 37 grados Celsius). Llama mucho la atención que la atmósfera filtra, es decir, absorbe, casi toda la radiación infrarroja que emite la superficie de la Tierra, pues solamente una banda (la superficie azul abajo de las curvas) muy restringida alcanza a escaparse de la atmósfera y dispersarse hacia el espacio. El resto de la energía atrapada en la atmósfera es la que mantiene la temperatura de la superficie de la Tierra en magnitudes compatibles con la vida durante la noche. Y esa es la historia del efecto invernadero en los 20 kilómetros de la atmósfera más cercanos a la superficie de la Tierra.
4. La parte externa de la atmósfera absorbe mucha energía se calienta sustancialmente. Ahora vamos con el efecto refrigerante en la ionósfera a más de 100 kilómetros de altura donde los gases, a pesar de encontrarse en concentraciones muy bajas, son capaces de absorber dicha energía y alcanzar temperaturas superiores a los 500 grados Celsius. Como esa temperatura es bastante mayor que el cero absoluto las moléculas de gas emiten radiación en el infrarrojo, que es lo que midió la NASA.
5. Otra tangente necesaria: el cielo actúa como un cuerpo con una temperatura muy baja. Permítanme invocar dos observaciones. Primero, cuando estamos en la playa y tenemos mucha sed metemos la cantimplora al congelador donde el agua que queremos beber se enfriará más rápido que en el refrigerador. Esa transferencia de calor ocurre porque la diferencia de temperatura entre el agua y los alrededores es mayor en el congelador que en el refrigerador. La segunda observación es el llamado “sereno” (o “heladez”, para quienes nos leen en Yucatán), cuando las noches despejadas se sienten más frías que aquellas en las que el cielo está nublado. Esto se debe precisamente a que la radiación que emite el agua de las nubes, cuya temperatura es más parecida a la que emite una persona que el agregado de radiación que llega desde el “cielo”, cuya temperatura “efectiva” puede ser menor a –20 grados Celsius (se llama temperatura efectiva porque el cielo actúa como si fuera un cuerpo a una temperatura dada, aunque no se refiere a la temperatura medida en una parte específica de la atmósfera). Por eso con el sereno se forma escarcha en las hojas del pasto o en los vidrios de los coches aunque la temperatura del aire no alcance el punto de congelación.
6. La ionósfera se “serena”: 95% de la energía que absorbe se regresa al espacio. Regresemos a la ionósfera, que al absorber la energía de las tormentas solares puede alcanzar temperaturas superiores a los 700 grados Celsius. El reporte de la NASA describe cómo se disipa ese calor absorbido, principalmente por el bióxido de carbono y el óxido nítrico. Si invocamos el fenómeno del sereno, pero en las capas superiores de la atmósfera, tendremos una región a 700 grados Celsius emitiendo radiación en todas direcciones. Una parte se emite hacia la superficie de la Tierra donde una atmósfera cada vez más densa es capaz de absorber toda la radiación infrarroja, funcionando como una especie de aislante o de filtro. Y la otra parte se emite hacia el espacio donde la “temperatura efectiva” es de –270 grados Celsius, es decir, apenas tres grados por arriba del cero absoluto. Si invocamos la analogía del congelador, la ionósfera perderá más calor más rápido hacia la región que se encuentra a –270 que hacia la que se encuentra a –20 grados Celsius. Además, como la concentración de materia en el espacio es bajísima, no hay moléculas “cercanas” que absorban la radiación emitida por la ionósfera, por lo que su energía se disipa hacia el espacio.
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Sin duda es más fácil invocar al chupacabras o acusar a los iluminati de controlar al mundo sin que nos enteremos, que sentarse a entender los procesos que ocurren en la naturaleza. Por lo menos, es más rápido. Sin embargo, los países (de la OCDE) con mayor cultura científica tienen una mejor calidad de vida y tienen democracias más funcionales. A nivel individual, una mayor cultura científica permite ser más críticos y facilita distinguir entre el ruido y la información, habilidad indispensable en esta era de los terabytes.
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