Enfriamiento estratosférico

Por supuesto que actúan como radiadores, radiadores que suben lentamente. además  irradian no sólo hacia arriba sino también hacia abajo. Si no estuviesen, el radiador sería la superficie terrestre, y el calor escaparía a la velocidad de la luz.

De acuerdo, eso ya lo comenté. Pero recuerda que comparo dos gases, uno con mayor peso molecular que el aire y el otro menor. Uno tiende a subir y otro tiende a bajar. En la troposfera, la velocidad va a depender de las corrientes de aire y no tengo claro que sean procesos lentos. Pero en promedio, si uno de los gases está muy abajo, emitirá casi como si fuera la superficie. Exagerando, imagina que todo el CO2 está en el primer metro de altura. El otro, por contra, asciende por la estratosfera muy lentamente. El efecto del CO2 sería nulo. El del metano, no.
 

En definitiva, piensa que una parcela de aire -o de CO2- al subir NO PIERDE CALOR, sólo lo distribuye entre más volumen por lo que pierde temperatura. Y como la pérdida de calor por irradiación depende de la 4ª potencia de la temperatura, el efecto total es que se irradia menos calor al exterior y, por tanto, tienes un calentamiento.

Cierto, no se pierde calor (etitado).

Por otra parte, una parte de la energía tomada por la masa de aire no es radiativa. Es energía tomada por contacto con la superficie y fenómenos turbulentos que ayudan a ese intercambio.  Esa fracción de energía, también se eleva con la masa de aire. Si no existieran gases invernaderos, esa energía no podría ser enviada al espacio exterior, calentando homogéneamente la atmósfera.

Estamos en la atmósfera y los procesos no están en equilibrio. En concreto, supón que la columna de aire se eleva isotérmicamente, lo cual no es tan descabellado viendo ciertos fenómenos atmosféricos. Una vez llega a su altura máxima, desprende el calor de dos formas, por expansión adiabática o por radiación.  La cantidad de calor que desprende en forma de radiación será proporcional a las diferencias de las 4ªs potencias de la temperaturas que tenían inicialmente y la posterior de equilibrio una vez enfriado. Parte de ella provenía del contacto con el suelo, con lo cual, en promedio hemos emitido hacia arriba la mitad de la misma que de otra forma volvería a la atmósfera.

En resumen, la elevación de un GEI desde la superficie, hasta alcanzar el equilibrio térmico en capas altas de la atmósfera, tiene un efecto neto refrigerante.

El quid de la cuestión es ver que pasa después. Si el gas invernadero permanece mucho tiempo en capas altas, el efecto invernadero se irá acumulando. Si el ciclo es muy rápido, y permanece más tiempo en capas bajas, el efecto podría ser desde muy leve hasta refrigerante.


Saludos.

Atmospheric Cooling Processes

sobre contracción y expansión atmosférica he comentado algo en Actividad volcanica y clima

Muy interesante tu teoría.

Por otra parte, una parte de la energía tomada por la masa de aire no es radiativa. Es energía tomada por contacto con la superficie y fenómenos turbulentos que ayudan a ese intercambio.  Esa fracción de energía, también se eleva con la masa de aire. Si no existieran gases invernaderos, esa energía no podría ser enviada al espacio exterior, calentando homogéneamente la atmósfera.

Esta parte no la entiendo. ¿Qué significa energía no radiativa? ¿te referieres a que parte del calor se transmitirá por simple cesión de energía cinética entre moléculas adyacentes?
Pero es que presisamente las formulitas termodinámicas que has puesto ya contemplan eso. Y precisamente, también, por eso no son sólo las moleculas de CO2 las que se calientan, sino que transmiten su energía cinética a las demás. La única diferencia entre los GEI y los demás gases que componen la atmósfera es que a unos los calienta la tierra y a los otros no. Pero cuidado, que la radiación proveniente del sol también incluye el espectro infrarojo, Así que el CO2 no sólo se calienta 'por abajo' sino también 'por arriba'.

Pero recuerda que comparo dos gases, uno con mayor peso molecular que el aire y el otro menor. Uno tiende a subir y otro tiende a bajar

Claro que ésto aún lo entiendo menos. ¿Qué tiene que ver el peso molecular con la densidad de un gas a una presión dada? Según tu teoría muchas de las partículas que normalmente pueblan la estratosfera con pesos moleculares miles de veces mayores que el del CO2 nunca podrían estar allí.
La densidad de un gas depende de muchas más cosas, como del volumen y  la polaridad de su molécula, entre otras.

¡¡Saludos!!

Muy interesante tu teoría.

Cita de: Fortuna en Jueves 23 Abril 2009 00:34:28 am

Por otra parte, una parte de la energía tomada por la masa de aire no es radiativa. Es energía tomada por contacto con la superficie y fenómenos turbulentos que ayudan a ese intercambio.  Esa fracción de energía, también se eleva con la masa de aire. Si no existieran gases invernaderos, esa energía no podría ser enviada al espacio exterior, calentando homogéneamente la atmósfera.

Esta parte no la entiendo. ¿Qué significa energía no radiativa? ¿te referieres a que parte del calor se transmitirá por simple cesión de energía cinética entre moléculas adyacentes?
Pero es que presisamente las formulitas termodinámicas que has puesto ya contemplan eso. Y precisamente, también, por eso no son sólo las moleculas de CO2 las que se calientan, sino que transmiten su energía cinética a las demás. La única diferencia entre los GEI y los demás gases que componen la atmósfera es que a unos los calienta la tierra y a los otros no. Pero cuidado, que la radiación proveniente del sol también incluye el espectro infrarojo, Así que el CO2 no sólo se calienta 'por abajo' sino también 'por arriba'.

Si, me refiero a la energía cinética. Desde luego, no solo los gases GEI la toman de la superficie y entre si, sino que toda la masa de aire la reparte. Si en estas circunstancias sube una columna de aire, el GEI emite radiación, hacia arriba y hacia abajo. De la que sube hacia arriba, parte se escapa. El resto vuelve a la tierra o la atmósfera. Como la proporción de GEI es muy baja, se cede otra vez eneregia cinética a los GEIS, que pueden volver a emitir de nuevo.

Tu dices que si no hubiera GEI, será la superficie de tierra la que emitiría directamente y mas rápido. Entonces, lo que importa es la rapidez de cada proceso.

Citar

Pero recuerda que comparo dos gases, uno con mayor peso molecular que el aire y el otro menor. Uno tiende a subir y otro tiende a bajar

Claro que ésto aún lo entiendo menos. ¿Qué tiene que ver el peso molecular con la densidad de un gas a una presión dada?. Según tu teoría muchas de las partículas que normalmente pueblan la estratosfera con pesos moleculares miles de veces mayores que el del CO2 nunca podrían estar allí.
La densidad de un gas depende de muchas más cosas, como del volumen y  la polaridad de su molécula, entre otras.

¡¡Saludos!!

Pues esa teoría, que no es mía, sino que se deduce directamente las formulitas que puse funciona muy bien. Explica perfectamente la variación de la presión y la densidad con la altura. La variación de T con la altura, se toma experimentalmente, pero también puse un enlace de la wikypedia, donde se deduce teóricamente.

La formula indica el numero de partículas por unidad de volumen en función de la altura. A gran altura, la densidad de partículas de alto peso molecular debe ser muy bajo, pero por poder, puede haber. Con respecto al efecto invernadero, como la radiación se absorbe y emite por molécula, lo que importa es la cantidad de ellas. Si la formula es correcta, al menos en promedio, el CO2 emitiría su mayor parte mas abajo que por ejemplo el metano.

Saludos.

Sí, pero la fórmula se refiere en todo momento al número de moléculas TOTALES por m3, nunca a moleculas de cada elemento por separado (porque estas ocuparían menos que el m3)

Por ejemplo, según tu teoría habría mayor concentración de oxígeno (que pesa más que el nitrógeno) en la superficie. Sin embargo las mediciones dicen que eso no es así.

Sí, pero la fórmula se refiere en todo momento al número de moléculas TOTALES por m3, nunca a moleculas de cada elemento por separado (porque estas ocuparían menos que el m3)

No. Se puede aplicar por separado. ¿recuerdas lo que es una presión parcial?. Y también total, si pones el peso molecular medio.

Por ejemplo, según tu teoría habría mayor concentración de oxígeno (que pesa más que el nitrógeno) en la superficie. Sin embargo las mediciones dicen que eso no es así.

Pues no se. Quién ha medido eso?. No encuentro datos, pero he encontrado un pdf, a ver que te parece.

http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Teoria/FA0708%20Tema02%20Atmosfera%20v1.pdf

1.-Difusión debida a movimientos moleculares aleatorios.

Tiende a producir una atmósfera en la que el peso molecular medio de la mezclade gases decrece con la altura, de forma que en los niveles superiores abundanlos gases más ligeros: cada gas constituyente se comporta como si sólo él estuviese presente, y la densidad de cada gas decae exponencialmente con la altura, pero la altura de referencia Hes distinta para cada gas, pues la densidad de los gasesligeros decae más lentamente que la de los gases de mayor masa molecular (M).

Lo que pasa es que luego dice:

2. Mezcla por movimientos convectivos.

La convección tiende a homogeneizar la composición de la atmósfera. A niveles bajos el recorrido libre medio es tan pequeño que el tiempo necesario para separar componentes es mucho mayor que el que requieren las turbulencias para formar una mezcla homogénea.
Por tanto a niveles bajos la atmósfera es un sistema cuyos componentes se encuentran muy bien mezclados.
Límite: aproximadamente a 100 km
A partir de esta altura la mezcla por convección ya no es tan eficiente y se aprecian diferencias de composición en función de la altura.

Lo que no me cuadra es lo de los 100 Km. Siempre se ha dicho que es a partir de 10km cuando deja de haber movimientos de convención. Por algo se llama estratosfera, ¿no?

No me acaba de convencer.

Saludos.

Cita de: Vaqueret en Jueves 23 Abril 2009 16:53:12 pm

Sí, pero la fórmula se refiere en todo momento al número de moléculas TOTALES por m3, nunca a moleculas de cada elemento por separado (porque estas ocuparían menos que el m3)

No. Se puede aplicar por separado. ¿recuerdas lo que es una presión parcial?. Y también total, si pones el peso molecular medio.

Lo mismo da hablar de volúmenes parciales que de presiones. Estamos hablando de lo mismo.

Lo que no me cuadra es lo de los 100 Km. Siempre se ha dicho que es a partir de 10km cuando deja de haber movimientos de convención. Por algo se llama estratosfera, ¿no?

No me acaba de convencer.

La medidas establecen que la homogeneidad en la atmósfera ocurre hasta los 90 o 100 km (según autores). Y esto ocurre con todos los gases, incluidos los GEI's.

Esto son mediciones y lo lógico es que la teoría cuadre con ellas, no al revés.
Claro, cuando tratamos con cosas complejas como la atmosfera, no es que la teoría esté mal, sino que intervienen muchos otros procesos que hay que ir metiendo en la 'poción', de ahí la necesidad de modelos por computador.

Mi postura es que el quid de la cuestión no está en el comportamiento del CO2 sino en el del agua. Aquí sí pueden haber muchas sorpresas, ya que diferencias entre la altura de la condensación puede llevar a efectos totalmente contrarios.

Por ejemplo, se podría especular con que en un primer momento de aumento de CO2, éste se concentre más cerca de la superficie aumentando el gradiente vertical de temperatura y, por tanto, favoreciendo la conveccion. Esta convección favorecería la formación de nubes tipo cirrus las cuales provocan un calentamiento acusado.
Pero en una segunda fase, en donde el CO2 se hubiese mezclado más homogeneamente (por causa de esa misma convección) y la temperatura de las zonas altas de la troposfera se hubiesen calentado también, el gradiente vertical de temperaturas seria mucho menor y el efecto sería el contrario: menos nubes 'calentantes' tipo cirrus. Si, encima, esto coincide con un mínimo solar, en el cual el bajo viento solar debilita nuestro cinturón magnético y las radiaciones de alto poder energético del cosmos (part. alfa, gamma, etc) pueden penetrar libremente en la atmósfera, el resultado será similar a lo que ocurre en una 'cámara de niebla' de un acelerador de partículas: un aumento de la condensación, pero esta a niveles bajos formando nubes cuyo princial efecto es el de reflejar la luz del sol hacia el exterior.

También, en esa segunda fase, se puede dar el efecto que comentas: que el rol del CO2 sea más bien refrigerante, pero eso sucede porque al ceder el vapor de agua su calor latente al CO2 en la alta atmósfera éste puede alcanzar la temperatura a la que puede comportarse como un cuerpo cuasi-negro e irradiar gran parte de la energía acumulada por el agua hacia el exterior.
Pero esto último también son especulaciones mias, como ya he dicho.

Saludos.

Lo de los volúmenes parciales es una artificio, no tiene significación física.

Experimentalmente, puedes ver en un gas como el hexafluoruro de azufre que su PM=146, muy superior al del aire, tiende a estar abajo.

<a href="http://www.youtube.com/v/tAsOfqCy4A0&amp;feature=player_embedded" target="_blank" class="new_win">http://www.youtube.com/v/tAsOfqCy4A0&amp;feature=player_embedded</a>

Saludos.

Buenoooo. En realidad, aunque el ejemplo del hexacloruro es muy gráfico, no es lo que parece. Lo que vemos es el efecto del empuje del gas, pero eso no es lo que discutimos. Al principio del vídeo, vemos que está tapado. Eso es para que no se escape el gas.

Vamos a ponernos en la escala apropiada. Si la pecera fuera la atmósfera total de la tierra, estaría llena de aire. El hexacloruro (o el CO2) sería sólo un cubito de menos de 1cm^3. El efecto del empuje sobre el total, sería despreciable. Aunque sí observamos que es mas pesado que el aire.

Calculemos la altura a la que el número de moléculas por metro cúbico se reduce a la mitad. Ese número es:

h1=ln(2)*k*T0/(M0*M*g) (atmósfera isotérmica)

h2=T0/a*(1-2^(-k*a/(M0*Mg))) (atmósfera lineal, con T=T0-a*h) a=5ºk/(10000m)

Ahora demos valores, para distintos pesos moleculares.

Para el N2 PM=28

h1=6008.7
h2=6008.4

Para el O2 PM=32

h1=5257.6
h2=5257.36

para el CO2 PM=44

h1=3823.7
h2=3823.6

Para el hexacloruro de azufre PM=146
h1=1152.3
h2=1152.3

Para el Metano PM=18
h1=12017.4
h2=12016.1

Vemos dos cosas,

1.- Que la aproximación isotérmica es muy buena y la podemos usar en toda la troposfera  En la estratosfera, el efecto será aún mayor.

2.- Que el peso molecular es un factor importante si no consideraremos turbulencias y movimientos verticales.

3.- Que los gases pesados tienden a ocupar las capas bajas de la atmósfera.


Por otra parte, los gases livianos en baja concentración, como el metano, notarán además el efecto del empuje de la atmósfera más pesada a su altura.


PD. He hecho un cálculo. Si rompemos la pecera, es gas se distribuirá por toda la habitación, pero a 3 metros de alto, la densidad será un 99.8% de la que había en el suelo. La del aire un 99.9996%

Saludos.

un detalle,
la gravedad no es constante con la altura 
(hay que usar cálculo diferencial)

un detalle,
la gravedad no es constante con la altura 
(hay que usar cálculo diferencial)

Si calculas la diferancia de g entre 6000km y 6000+100 km, es casi la misma.

g(h)=GM/(R+h)^2, g0=GM/R^2

[G(h)-G(0)]/G(0)=[1/(R+h)^2-1/R^2]/(1/R^2)=R^2[1/(R+h)^2-1/R^2]

(G(100)-G(0))/G(0)=-3%.

Pero además, no hay problema en usar cálculo integral, si ayuda.

Precisamente estaba yo haciendo un calculo con integrales.

Si tomamos la distribución isoterma, que coincide casi con la adiabatica, y hacemos lo siguiente. Calculamos el punto en que la cantidad de total CO2 por arriba es la misma que por abajo. Para ello integramos respecto a la altura.

Q(h)=int(exp(-beta*h)=-1/beta*exp(-beta*h)  (beta es M0*M*g/(kT0) tomando los límites de integración entre.

1.- entre 0 y z es la cantidad de CO2 de 0 a una altura z

Q(-)=-1/beta*exp(-beta*h) +1/beta*exp(-beta*0)=1/beta(1-exp(-beta*h))

2.- entre z e infinito.

Q(+)= -1/beta*exp(-beta*infinito)+1/beta*exp(-beta*h)=1/beta*exp(-beta*h)

A qué altura z, hay la misma cantidad de CO2?

Q(-)=Q(+)

Resolviendo sale z=ln(2)k.T0/(M0.M.g)

O sea, la misma en que calculamos previamente, donde la densidad se reducía a la mitad.

Como el CO2 emite con la misma probabilidad hacia arriba y hacia abajo, una molécula de CO2 a esa altura intercambiaría la misma cantidad de calor encima que debajo. (solo CO2). La altura calculada es equivalente a que todo el CO2 estuviera en una fina capa a esa altura. La mitad de ese calor iría al espacio exterior. La otra mitad, sería de efecto invernadaro, intercambiando calor con la tierra.

La altura a la que hemos calculado eso eran 3800 metros. A esa altura, la temperatura es 288-50/10000*3800=269ºK=-4ºC.

Resultado emitimos una potencia de (269/288)^4=76% de lo que emitiría en la superficie ese mismo CO2. (a nivel del suelo no daría efecto invernadero)


Para el metano 288-50/10000*12017=228ºK=-45ºC. La emisión sería (228/288)^4=39% de lo que emitiría el metano a nivel del suelo.


Saludos.