 En los dos módulos anteriores hemos visto la forma en que los flujos de energía de entrada y de salida sobre la Tierra determinan la temperatura global. También hemos visto el rol de la atmósfera y el efecto hivernadero que permiten que la temperatura de este planeta esté por encima de los cero grados centígrados. Hemos visto también como las grandes concentraciones de gases de efecto hivernadero actúan como una capa que absorbe eficiente la radiación que emite la Tierra y la reflejan de vuelta. Este efecto hace aumentar la temperatura del planeta y puede perturbar de forma importante la estabilidad térmica que ha permitido nuestro desarrollo y la civilización en los anteriores 10.000 años. En este módulo profundizaremos en el efecto hivernadero y analizaremos con detalle las cantidades de energía que entran y salen de la Tierra, primero utilizando un modelo sencillo y después utilizando medidas reportadas por el IPCC que describen con detalle los flujos de energía. La energía que sale del Sol se emite en todas las direcciones y entre más lejos está del Sol menor es su intensidad. La intensidad es energía por unidad de tiempo y superficie y se emite en vatios por metro cuadrado o watts por metro cuadrado. A la distancia que está el Sol de la Tierra, la intensidad del Sol es de unos 1350 o 1370 vatios o watts por metro cuadrado. Puesto que el albedo de la Tierra es alrededor del 0,3, un 30% de la luz que llega del Sol se refleja. Eso hace que la energía que absorbe la Tierra sea de alrededor de 1000 vatios o watts por metro cuadrado de acuerdo con la siguiente ecuación. Si tomamos en cuenta la superficie de la Tierra o más bien la sombra que proyecta dado por el producto de PIB por el radio de la Tierra al cuadrado, podemos calcular el flujo de energía incidente de acuerdo a la siguiente ecuación. Si utilizamos el hecho de que la energía que sale de la Tierra está dado por la ley de Stefan Boltzmann, podemos calcular el flujo de salida utilizando esta misma ley como lo muestra la siguiente ecuación. En este caso, la Tierra usa toda su superficie para emitir en todas las direcciones, por lo tanto, el área de la ecuación anterior es exactamente área igual a 4 PI por el radio al cuadrado donde el radio al cuadrado se refiere al radio de la Tierra. De esa forma, el flujo de salida de la energía de la Tierra está dado por la siguiente expresión que contiene el radio de la Tierra y la temperatura de la Tierra. Finalmente, podemos igualar el flujo de entrada y salida para encontrar cuál es la temperatura en la Tierra de acuerdo a este simple modelo. Si igualamos el flujo de salida y el flujo de entrada, llegamos a la siguiente expresión. De esta manera, podemos estimar la temperatura de la Tierra en un modelo simple y que solo incluye la intensidad solar que llega a la atmósfera y el albedo de la Tierra. La temperatura de la Tierra igual a raíz cuadrada de 1 menos alfa por la radiación incidente del Sol dividido 4 epsilon sigma. Este modelo simple muestra que si solo consideramos la radiación de entrada y de salida, la Tierra tendría una temperatura de 251 grados Kelvin o menos 22,15 grados centígrados. La temperatura de la superficie es sin embargo de 295 grados Kelvin o 21,8 grados centígrados. Esto se debe al efecto invernadero natural que hemos descrito en el módulo anterior. En cualquier superficie cerrada que dibujemos en dicho balance, el balance debe ser nulo y las entradas de energía deben ser iguales a las de salida. De lo contrario, la temperatura se incrementaría o reduciría dependiendo de si el balance es positivo o negativo. Así, si consideramos el balance que se produce en la superficie terrestre, veremos que este recibe la radiación solar más ese 50% de la radiación infrarroja emitida por la atmósfera, de manera que la superficie terrestre aumentará su energía emitida para compensar ese incremento. Y como hemos visto, ese aumento de energía se realiza aumentando su temperatura. Por lo tanto, cuanta mayor energía infrarroja quede retenida en la atmósfera y cuanta mayor energía la atmósfera emita hacia la superficie, mayor será la temperatura alcanzada tanto en la superficie como en la atmósfera. Si analizamos una superficie cerrada por encima de la atmósfera, veremos que solo hay dos flujos, uno de salida y uno de entrada como muestra la siguiente ecuación. Por lo tanto, podemos calcular la temperatura de la atmósfera en términos de la radiación incidente y el albedo del planeta. Esta expresión muestra esa relación. Esta temperatura que ya hemos calculado, temperatura de la atmósfera igual a 251 grados Kelvin o menos 22,15 grados centígrados, es lo que se llama la temperatura de superficie o skin temperature. Ahora podemos calcular los frujos de energía sobre la superficie de la Tierra. Como puede verse en el diagrama, hay dos flujos de entrada. Por un lado, la radiación solar incidente y por otro lado, la radiación de la atmósfera. Es decir, la radiación que viene directamente del sol que no es reflejada y la radiación que viene de la atmósfera debida al efecto invernadero. De esta forma podemos escribir una ecuación con la temperatura de la atmósfera y la superficie de la Tierra. Esta ecuación está descrita en la siguiente pantalla. Si utilizamos la información que tenemos de la temperatura de la atmósfera, llegaremos a esta relación. Eso finalmente nos da una relación entre la temperatura de la atmósfera y la de la Tierra. Esta relación dice que la temperatura en la superficie de la Tierra es exactamente la raíz cuarta de dos multiplicada por la temperatura de la atmósfera. La raíz cuarta de dos es más o menos 1,89, lo que significa que el efecto invernadero de la atmósfera hace que la temperatura de la superficie sea 19% más alta que en la superficie. Este modelo simple de una capa predice una temperatura de la superficie de 303 grados Kelvin, que se compara muy bien con los 295 grados Kelvin observados. Esto significa que es un buen modelo para entender el funcionamiento de la atmósfera y el efecto invernadero sobre el planeta. Este modelo conceptual puede utilizarse para hacer una buena estimación de los flujos de entrada y de salida y del rol de la atmósfera en el efecto invernadero. A continuación usaremos el reporte del IPCC para describir con detalle los flujos de entrada y salida del planeta Tierra. La energía solar que alcanza la órbita de la Tierra es de unos 1.368 vatios por metro cuadrado, puesto que la superficie que hay que considerar para el flujo de entrada es la sombra de la Tierra y la superficie que consideramos para los flujos de salida es la de toda la esfera, entonces podemos normalizar esa intensidad por una relación de 4 a 1, que es la relación entre superficies. De esa forma obtenemos que la cifra del flujo de entrada es 342 vatios por metro cuadrado. El 30% de esta radiación es reflejado hacia el espacio, alrededor de unos 102 vatios por metro cuadrado, y la mayoría de esta radiación reflejada procede de la atmósfera cuando la luz rebota en las nubes y en algunas partículas suspendidas en la atmósfera como los aerosoles. El restante se refleja desde la superficie de la Tierra por zonas claras de la misma como áreas cubiertas de nieve, hielo o del desierto. El restante 70% de la radiación que llega a la Tierra es absorbida. Nubes, gases y aerosoles absorben el 23% de la radiación y la superficie de la Tierra el 47% restante. La radiación solar absorbida calienta la Tierra y esta emite alrededor de 396 vatios por metro cuadrado de radiación en ondas de infrarrojo. Muy poca de esta energía, unos 40 vatios por metro cuadrado, escapa directamente al espacio. Los gases, partículas y otros materiales suspendidos en la atmósfera absorben la mayoría de esta radiación y emiten radiación de onda larga en todas las direcciones con alguna pérdida hacia el espacio y hacia la superficie de la Tierra. En total, unos 200 vatios por metro cuadrado se pierden en el espacio que junto con los 40 vatios por metro cuadrados perdidos con la superficie hace un total de unos 239 vatios por metro cuadrados de radiación emitida por la atmósfera y por la superficie de la Tierra que junto con los 102 vatios por metro cuadrados reflejados hacen un total de 341 vatios por metro cuadrado. Así el balance de radiación neta de la Tierra es cero. La radiación al solar absorbida es igual a la radiación de onda larga emitida al espacio. Podemos afirmar que mientras el efecto invernadero natural es esencial para que se desarrolle la vida en el planeta una concentración excesiva de gases de efecto invernadero puede distorsionar este efecto y provocar un aumento en las temperaturas del planeta. El modelo que hemos presentado sirve para entender el rol de la atmósfera y los gases de efecto invernadero en el cambio climático. Finalmente, un análisis de los flujos de energía en el planeta nos sirve para confirmar la magnitud de este problema y cómo el control sobre las emisiones de efecto invernadero definirán el futuro del clima en el planeta Tierra.