Física del efecto invernadero

FÍSICA DEL EFECTO INVERNADERO

En este tópic trararemos de explicar el efecto invernadero con un poco más de tiempo (ese tan preciado tesoro que casi nadie tiene), por lo que deberéis tener paciencia ya que en pocos meses (espero que menos) tal vez consigamos completar el tópic.

El objetivo de este tópic es, lógicamente, aclarar algunas dudas que existen respecto al efecto invernadero. El efecto invernadero NO se basa en el almacenamiento de calor, sino en la absorción-reemisión de radiación de onda larga en todas direcciones. Es decir, los fotones no se almacenan (muy pocos lo hacen), sino que un porcentaje de ellos se quedan atrapados en la troposfera debido a que "rebotan eternamente" entre el suelo y los gases (absorción-emisión).


Fuente:
http://es.wikipedia.org/wiki/Balance_radiativo_terrestre
http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect

Enlaces de interés
http://brneurosci.org/co2.html
- Calentamiento por efecto antropogénico + natural
- Calentamiento desigual, ¿a qué es debido?
- Predicción mensual para marzo-noviembre de 2008  (Ver gráfica) (validación provisional)
- Seguimiento de la temperatura global

TRANSMISIVIDAD Y LEY DE BOURGUER-LAMBERT- BEER

Como sabéis, no toda la luz solar que atraviesa la atmósfera (en los huecos sin nubes) llega al suelo, sino que parte es absorbida y rápidamente reemitida en todas las direcciones. No debemos confundir la reemisión con la difusión por Rayleigh o de Mie.

Según la ley de Kirchhoff, en condiciones estables (energéticas) la emitancia coincide con la absortancia. y según la ley de Lambert, la absortancia se puede expresar como:

A = 1 - I_t / I₀ = 1 - 10 ^{-e bc}

Donde c es la concentración del soluto en moles / litro de solución, e una constante denominada coeficiente de absortividad molar cuyas unidades son: cm -1 litro / mol y b en cm es el recorrido óptico de la luz. Si tengo tiempo más adelante os explicaré como se obtiene b·c.

ESPECTRO DE ABSORCIÓN DE GASES

Para saber qué ondas "rebotan" y cuáles no hay que ver la absortividad (en realidad se reemiten 50% hacia arriba y otro 50% hacia abajo, por lo tanto podemos decir que rebotan la mitad si la absortividad es 100% -ver ejemplo-).



Os recomiendo leer esto.

Adelanto que, podemos ver que para ciertas longitudes de ondas no hay mucha diferencia entre el efecto del vapor de agua y el efecto del CO2. En otras ondas, sin embargo, sí hay mucha diferencia.

Saludos

PD: Ya seguiré a ratillos. Disculpen las molestias.

http://fotos.subefotos.com/e1b1f8559531821cbfdf8e67d6df62a8o.gif

[...] para ciertas longitudes de ondas no hay mucha diferencia entre el efecto del vapor de agua y el efecto del CO2. En otras ondas, sin embargo, sí hay mucha diferencia.

Donde marca la diferencia el CO2 es entre las 13 y 19 micras, que es donde "se queda solo":



En esta otra imagen (similar a la primera que pones) me parece que se ve muy clarito: la radiación de onda corta que alcanza la superficie en rojo y la radiación de onda larga que escapa al efecto invernadero en azul (ventana atmosférica para la radiación infrarroja, entre 8 y 14 micras), y más abajo (en gris) los espectros de absorción (primero los totales y luego separando la aportación de cada gas):

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png

Saludos.

*Edito para añadir un enlace sobre este tema de la física del efecto invernadero:
http://chriscolose.wordpress.com/2008/03/09/physics-of-the-greenhouse-effect-pt-1/
http://chriscolose.wordpress.com/2008/03/10/physics-of-the-greenhouse-effect-pt-2/

A ver, tengo algunas dudas con este tema aún a estas alturas. Lo que escribo, por supuesto puede estar mal y puede ser corregido por quien lo sepa.

En primer lugar, opino que el esquema de tapadera, es un esquema simplificado.

Cita de: Fortuna en Miércoles 18 Noviembre 2009 00:19:54 am

[offtopic]Para _00_ Aquí la única tapa que vale es la de las cañas.   [/offtopic]

http://meteo.fisica.edu.uy/?download=Tema1.pdf

No vale para la atmósfera. Cada capa de 1 m (o de 1cm o de 1mm) de alto, es una tapadera, donde la radiación pasa de una capa a otra obsorbiendo una pequeña parte y reemitiendola en una dirección aleatoria. Es mejor imagen pensar en la atmósfera como si fuera el vidrio y toda la atmósfera fuera la tapadera.

Pero además, tampoco sirve exactamente en cuanto a los cálculos. Si la densidad de la atmósfera fuera constante, se podría utilizar la ley de ley de Lamber- Beer. Pero no lo es dado que la densidad decrece con la altura y por tanto no podemos aplicarla. En su lugar debemos emplear una modificada. La deducción de la ley de Lamber- Beer puede verse en http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/lhh345a/Espectrofotometria2.pdf Siguiendo el esquema utilizado allí, se debe integrar respecto a la altura.

Utilizando las fórmulas de la presión con la altura de http://personales.ya.com/casanchi/fis/modeloteorico/modeloteorico.htm

y sabiendo que C/C0=(T0/P0)*(P/T)

Obtenemos la dependencia de la concentración con la altura:

C/C0=(1-22.557E-4*h)^5.256/(288.15-0.0065*h)

para 11.000 metros, la densidad de cualquier gas es de 29.7% de la que tiene en la superficie. A 6650 metros, la densidad es la mitad.




Para calcular la absorbencia, procedemos a integrar. Para ello utilizo el programa Mapple.




Y saco un gráfico de la relación entre la absorbencia de 1m a la altura h en relación a la superficie.




A 11.000 m el ratio vale 29.70%

A 6650 m el ratio es un 50%.

Aunque no he discutido el efecto invernadero, sino la absorbencia, Si el efecto invernadero es proporcional, se observaría que el 50% del efecto invernadero sería producido por debajo de los 6650 m.

Que pasaría a alturas mayores de 11.000m?. La temperatura empieza aumentar en la estratosfera. Como la densidad depende del inverso de la temperatura, el efecto será que disminuye aún más rápido. Si a 11.000 metros sólo existe un 30%, y esperamos menos, descartar toda la atmósfera desde la media estratosfera no sería un error de cálculo muy grande.

que no fortuna, que no puedes despreciar nada,

aunque no afecte apenas a nivel de densidad, la capa alta de la estratosfera tiene una importancia vital,

en esa parte de la atmósfera, la transmisión de calor de realiza de manera RADIATIVA, NO CONVECTIVA como en capas inferiores,

y es precisamente esa "inversión" de la alta estratosfera la que permite que haya efecto invernadero, al aumentar la Tª con la altura,

como decía en otro tema, la termosfera se encuentra a 1300ºK, lo que supone una emisión determinada por la ley de Boltzman,....

la mitad de esa radiación se transmite directamente a la atmósfera baja en forma de IR,

respecto a la absorvancia,
esos mismos cálculos deberían servir para la emitancia, ¿no?

A ver, _00_ no dudo que en la troposfera dominen los procesos convectivos sobre los radiativos en cuanto a distribución de energía. Una cosa no quita la otra. respecto a la estratosfera, sólo indico como son las leyes sin tener en cuenta otras cosas, como la radiación uv y la química del ozono. Pero el ozono está a muy baja concentración. Leo en wikipedia que allí son 2-8 partículas por millón. Si a eso le aplicamos que la densidad es mucho menos del 30% de aqui, el efecto invernadero del ozono, a no ser que tenga unas constantes de abosorción muy altas, debe ser pequeño.

Con ves insisto en el tema de la concetración. Joer que está como coeficiente en términos exponenciales!.

Sobre la temperatura de la termosfera, de igual! ¿cuantos partículas hay por metro cúbico? . Con un soplo, las calientas!. La temperatura es la energía cinética por partícula. Mete una caloría en 1 mol (=6*10^23 partículas) y es nada, dáselo a 1000 átomos de nada y tienes 1 millón de grados. (no lo he calculado, pero sería 10^20 mayor).

es precisamente esa "inversión" de la alta estratosfera la que permite que haya efecto invernadero, al aumentar la Tª con la altura,

Pues me lo explicas, porque no veo que tenga nada que ver.

esos mismos cálculos deberían servir para la emitancia, ¿no?

Serían los mismos.

púes si te parece poco que absorva el 26% de la energía que llega del sol  
(más del 50% hasta la troposfera alta)

la inversión en la tendencia de la temperatura es la que corta los procesos convectivos, es la que pone el límite superior a la troposfera,
y si varía la altura un 30% (en mínimo), ¿no influirá en los procesos radiativos?

es que estamos en las mismas,
en un sistema no lineal realimentado y caótico, no puedes despreciar las cosas así como así, que la física es más amplia ...

(para hacerse una idea esquemática del proceso igual sirve, pero solo de una parte del proceso)


( , leches, que si quitas de troposfera para arriba, y aplicas física, te quedas sin atmósfera, en cuestión de segundos)

igual se entendería mejor el efecto invernadero, como un invernadero, con cristales polarizados y ventiladores variables.

púes si te parece poco que absorva el 26% de la energía que llega del sol 
(más del 50% hasta la troposfera alta)

Quien absorve esa energía es el oxígeno (para dar ozono), que tiene una concentración 100.000 veces mayor.

la inversión en la tendencia de la temperatura es la que corta los procesos convectivos, es la que pone el límite superior a la troposfera,
y si varía la altura un 30% (en mínimo), ¿no influirá en los procesos radiativos?

El tema es intersante, estoy dandole vueltas a ello y permitiría, junto a los GEIS, ser un mecanismo eficiente de cesión de energía al espacio exterior. Cuando lo tenga más claro, lo pondré a discusión.

es que estamos en las mismas,
en un sistema no lineal realimentado y caótico, no puedes despreciar las cosas así como así, que la física es más amplia ...

(para hacerse una idea esquemática del proceso igual sirve, pero solo de una parte del proceso)


( , leches, que si quitas de troposfera para arriba, y aplicas física, te quedas sin atmósfera, en cuestión de segundos)

Eso se llama, separación de variables. Ver como influye cada cosa por separado. Si no se hiciera así sería UN MOGOLLÓN.  Cuando tienes claro cómo funciona este aspecto o el otro, empiezas a sumar o multiplicar efectos y al final, te queda el modelo. Además, no dije olvidar la estratosfera y demás, dije que para el efecto invernadero, omitirlas no iba a contribuir mucho.

igual se entendería mejor el efecto invernadero, como un invernadero, con cristales polarizados y ventiladores variables.

Está demostrado que los invernaderos de cristal, están más calientes que el exterior por la falta de convección. Si se sustituye un cristal de vidrio por otro que no absorba radiaciones en infrarrojo, la temperatura apenas cambia. Vamos, que si a un invernadero, le abres las puertas laterales, no se calienta ni de coña.

púes si te parece poco que absorva el 26% de la energía que llega del sol  
(más del 50% hasta la troposfera alta)

la inversión en la tendencia de la temperatura es la que corta los procesos convectivos, es la que pone el límite superior a la troposfera,
y si varía la altura un 30% (en mínimo), ¿no influirá en los procesos radiativos?

es que estamos en las mismas,
en un sistema no lineal realimentado y caótico, no puedes despreciar las cosas así como así, que la física es más amplia ...

(para hacerse una idea esquemática del proceso igual sirve, pero solo de una parte del proceso)


( , leches, que si quitas de troposfera para arriba, y aplicas física, te quedas sin atmósfera, en cuestión de segundos)

Unos apuntes:

1. Si coges un termómetro y lo llevas a la termosfera verás que te marcará un poco por debajo de 0ºC

2. Lo que mantiene la atmósfera en su sitio es lo mismo que te mantiene a tí pegado a la superficie. Es precisamente la ionosfera y su interacción electromagnética con el viento solar lo que causa que se pierda atmósfera al espacio. Al mismo tiempo la existencia de un campo magnético centrado en la tierra hace lo contrario, así que las pérdidas son mínimas.

3. El que la tropopausa sea una tapadera para los procesos convectivos lo que hace es que sea más fácil calcular el balance radiativo, ya que sabemos que de ahí p'arriba las únicas transferencias son radiativas y conductivas, pero estas últimas son bastante más pequeñas respecto a las primeras.

Saludos.

si, lo que quieras,
¿pero en las gráficas de Tª que marca? ¿cuál es el aporte radiativo? (ya que no es convectivo) ¿donde va ese más del 50% de energía que filtra?

¿que es lo que mide un termómetro?
¿es adecuado entonces para cálculos termodinámicos globales?
...

(lo que nos mantiene pegados a la superficie terrestre es la gravedad, por algo somos "sólidos", aunque igual acabáramos como la estela de un cometa)

y tienes razón, la primera tapa es entre troposfera y estratopausa, el segundo nivel es estratopausa-mesopausa-termosfera.