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¿Cómo nos llega la energía del Sol?

El Sol emite energía en forma de luz que atraviesa la atmósfera. De toda la luz que el Sol manda hacia la Tierra, sólo una tercera parte llega a la superficie del planeta, pues la atmósfera actúa como un filtro de mucha radiación luminosa.

De la que alcanza a la Tierra nuestros ojos únicamente aprecian una pequeña parte, la que llamamos luz visible. La luz viaja en forma de onda. Para entender lo que es un onda, imaginemos unas partículas que describen unos movimientos como los de las figuras:

¿Por qué vemos los objetos de un determinado color?

Podemos ver que las ondas viajan oscilando, la primera oscila más que la segunda y por esa razón decimos que tiene más frecuencia. Cada oscilación completa de la onda constituye un ciclo, por lo que la frecuencia mide el número de ciclos que la onda da cada segundo. Llamamos longitud de onda a la longitud de un ciclo, tal y como se aprecia en las figuras.

No toda la luz trae la misma energía, sino que cuanta más frecuencia tenga la onda, más energía transporta -o cuanto más pequeña sea su longitud de onda.

Las substancias que no dejan pasar la luz pueden hacerlo por dos razones, porque la rebotan (reflexión) o porque la absorben. En este caso, la radiación absorbida se transforma en radiación calorífica que no es visible (infrarroja). Los objetos de color blanco reflejan toda la radiación luminosa que llega, por el contrario los de color negra la absorben toda y la transforman en calorífica.

Cuando vemos los objetos de un determinado color es porque esos objetos absorbieron el color complementario, por eso vemos la que no absorben, y por tanto, la que reflejan ("rebotan") permitiendo así que llegue hasta nuestros ojos.

Un objeto transparente como el vidrio deja pasar la práctica totalidad de la radiación luminosa, aunque no toda la radiación solar, pues el vidrio es un filtro muy importante para la radiación infrarroja (calorífica). Esta explicación nos permite entender la implantación y generalización de los invernaderos en la agricultura.

Estas instalaciones agrícolas se construyen cuando una superficie de tierra de cultivo se quiere mantener una temperatura más alta y evitar las consecuencias nefastas de las heladas sobre los vegetales, en ese caso montamos un invernadero. Los mejores invernaderos son de vidrio que es transparente para todos los colores de la luz, pero no dejan pasar la mayoría de la radiación infrarroja o calorífica.

Si el vidrio estuviese tintado de rojo, no lo atravesaría toda la radiación visible. En este caso se absorbería la luz complementaria de la luz roja (color cián, entre verde y azul). desde el exterior de un invernadero veríamos la luz no absorbida que es la roja reflejada ("rebotada") que al reflejarse llegaría hasta nuestros ojos. Otra parte de esa luz roja no absorbida, no atravesaría el vidrio, por eso dentro del invernadero también veríamos tonalidades rojizas. Es decir, el vidrio rojo no es transparente para todos los colores de la luz. En realidad tampoco atraviesa toda la radiación solar el vidrio normal, pero deja pasar todos los colores de la luz, y la radiación que no lo atraviesa no puede ser apreciada por el sentido de la vista (infrarroja o calorífica).

Así como el vidrio incoloro deja pasar prácticamente toda la radiación visible, el vidrio negro no deja pasar ninguna, y absorbe toda la radiación visible, transformándola en radiación calorífica (radiación infrarroja). Por tanto, si el invernadero estuviese fabricado de vidrio negro estaría muy caliente cuando le da el Sol, porque está transformando la radiación luminosa que absorbe en su totalidad, en radiación infrarroja calorífica. Si estuviese pintado de blanco, tampoco dejaría pasar la mayoría de la luz visible, pero en este caso no porque la absorba, sino porque la refleja.

¿Por qué puede hacer más calor dentro que fuera de un invernadero?

Cuando la radiación luminosa visible incide sobre la tierra negra del invernadero, es absorbida totalmente, transformándose en radiación infrarroja o calorífica, que es emitida por la tierra hacia la atmósfera.

Si bien los objetos que se encuentran al aire libre no tienen ninguna dificultad para deshacerse de la radiación infrarroja (calorífica) emitiéndola hacia la atmósfera, sólo un pequeña parte de la irradiada por la tierra de un invernadero es capaz de atravesar el vidrio hacia la atmósfera exterior, y la mayoría rebota sobre la cara interior del vidrio, quedando de este modo retenida en el interior del invernadero, lo que provoca el aumento de la temperatura en su interior.

Este efecto lo sentimos en los coches y en las habitaciones con muchas ventanas, especialmente en los días soleados del verano. También se aprovechó en determinadas construcciones gallegas para suavizar las temperaturas invernales, poniendo galerías en las zonas soleadas.

Los gases invernadero

La atmósfera terrestre está compuesta por multitud de gases. Los más abundantes son el nitrógeno, el oxígeno y el argón. Estos gases son bastantes transparentes tanto para la luz visible como para la radiación infrarroja o calorífica que emite la Tierra cuando está caliente.

Otros que representan menos de una centésima parte, son los que actúan de manera similar al vidrio de un invernadero. Entre ellos destacan el dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄) y el óxido nitroso (N₂O). Dentro de los gases de efecto invernadero (GEI) sobresale, en este papel termorregulador, el dióxido de carbono. También el vapor de agua (H₂O) es importante en la regulación térmica aunque de un modo diferente a como lo hace el vidrio de un invernadero.

Los filtros de la atmósfera: capa de gases invernadero..

Cuando la luz solar llega a la atmósfera, parte de esta energía se filtra en distintos puntos por absorciones y por reflexiones. La radiación más energética no es la visible sino que es la ultravioleta. Esta se filtra en una capa muy alta con un gas llamado ozono que la absorbe.

Otra capa filtro diferente es la de gases invernadero, entre los que destaca el dióxido de carbono. Esta se diferencia de la anterior por la posición, por el tipo de gases, y por el tipo de radiación que filtran, siendo en este caso la menos energética: infrarroja o calorífica.

Como esta capa no deja pasar una parte de la radiación infrarroja, el calor emitido por la Tierra, como resultado de la transformación de la radiación luminosa absorbida, es enviada de nuevo hacia la superficie terrestre, de un modo que presenta cierta semejanza con el vidrio del invernadero, aunqeu actúa más bien como lo hace una esponja con el agua.

Por último las capas de nubes también reflejan y absorben radiación. Por eso los días con nubes hay menos luminosidad. Por la acción termorreguladora del agua, esta capa de gas vapor de agua, también tiene importancia en la regulación térmica que hace posible la vida en la Tierra, aunque actúa de manera diferente al dióxido de carbono.

El efecto invernadero

Esa parte de energía calorífica retenida por los gases invernadero, se emite de nuevo hacia la superficie terrestre. Este efecto, conocido como invernadero, por su similitud con lo que ocurre en este tipo de instalaciones agrícolas, calienta el aire que rodea a la Tierra. Si no existiesen los gases de invernadero, el planeta sería cerca de 30 grados más frío que ahora.

En esas condiciones probablemente la vida nunca podría llegar a desarrollarse. Esto es lo que sucede en Marte que tiene una temperatura de -50 ºC, aún así parece que esas circunstancias no siempre fueron las mismas, por cuanto en su relieve parece que existen huellas morfológicas de relieves fluviales.

Relación del CO₂ con la temperatura de la Tierra

Después de todos estes filtros atmosféricos, aproximadamente la mitad de la radiación que salió del Sol llega a la Tierra. La radiación visible que incide en tierra negra es absorbida, la que incide sobre cuerpos blancos es reflejada ("rebotada"). La que incide sobre cuerpos de otro color, parte es absorbida y el resto de la radiación luminosa visible se refleja. Esta radiación luminosa reflejada nos permite ver los cuerpos en los colores complementarios de las absorbidas.

En todo caso, la parte de la energía luminosa absorbida es la que se transforma en calor. Esta energía calorífica resultante es la que se emite como radiación infrarroja hacia la atmósfera. Parte de este calor emitido queda atrapado por la capa de gases de invernadero

Tal y como se deduce de lo expuesto en este apartado, la Tierra es más caliente gracias al 0.03% que contiene de dióxido de carbono que actúa como filtro de la radiación calorífica de un modo semejante a como lo hace el vidrio de un invernadero, dado que es bastante transparente para la radiación visible pero muy poco para la infrarroja o calorífica.

Efectos del aumento del CO₂

Si el contenido en dióxido de carbono de la atmósfera fuese el doble (0.06%), el efecto invernadero también aumentaría, calentando la Tierra un par de grados más, lo suficiente para provocar el deshielo gradual de los casquetes polares. Cuanto más gruesa sea la capa de dióxido de carbono, más se parecerá su comportamiento al del vidrio de un invernadero. Si se llegasen a derretir los hielos de la Antártida y de Groenlandia, el nivel del mar subiría unos 72 metros.

Lo contrario a esta situación fue lo que sucedió como consecuencia del último máximo glaciar, hace unos 18000 años, donde el nivel del mar se situaba unos 120 metros por debajo de donde se encuentra en la actualidad, quedando la antigua línea de costa cubierta por las aguas en estos momentos. En el pasado más reciente, hace unos 8000 años, se produjo una fase transgresiva donde el nivel del mar se situó alrededor de 2 metros por encima de la línea de la costa actual.

La importancia del CO₂

El gas dióxido de carbono (CO₂) estando en la atmósfera en un porcentaje en volumen muy bajo (0.03%) es el principal gas que contiene el carbono (C) atmosférico. Así, considerando la unidad de volumen atmosférica dividida en un millón de partes, el CO₂ ocuparía 358 partes (el CO₂ representa 358 partes por millón). Los otros dos gases atmosféricos, mucho más minoritarios, que contienen carbono (C) son el metano (CH₄) y el monóxido de carbono (CO). De estos dos gases minoritarios, el primero representa 0.1 partes por millón y el segundo 1.6 partes por millón.

Por tanto, el dióxido de carbono contiene la práctica totalidad del carbono de la atmósfera. Este gas también se encuentra en la hidrosfera y en el suelo; y entre las tres localizaciones se producen intercambios permanentes.

El gas dióxido de carbono es una de las formas químicas por las que el carbono se mueve de forma cíclica, por lo que el C que se emite a la atm´sofera desde un punto que actúa como fuente, vuelve otra vez a ese punto actuando en este caso como sumidero.

Las reservas fundamentales de carbono en forma de moléculas de CO₂(g) que los seres vivos pueden asimilar, se encuentran en la atmósfera y en la hidrosfera.

EL ciclo del carbono

El carbono asimilado por los seres vivos de la atmósfera, en el proceso de la fotosíntesis, pasa de unos seres vivos a otros en los procesos de nutrición y acaba liberándose de nuevo a la atmósfera por la respiración, descomposición de restos y cadáveres o por combustión, describiendo así un proceso cíclico. Algunos de estos restos de seres vivos, en vez de descomponerse pueden fosilizar en el interior de la Tierra, retirando este carbono del ciclo, aunque sigue estando sometido a posibilidades de movimiento cíclico mucho más lento, pues los volcanes, terremotos, la erosión, etc., pueden hacer que vuelva a liberarse a la atmósfera como gas CO₂.

Puede decirse entonces que el carbono de la Tierra está en movimiento cíclico (ciclo del carbono). Este ciclo puede descomponerse, a su vez, en dos subciclos ajustados que suceden a diferentes velocidades y que se pueden explicar con el modelo del recorrido cíclico de la cadena de la bicicleta, como resultado de la combinación de los giros del piñón y del plato.

El ciclo más rápido (piñón) es aquel relacionado con la fotosíntesis, nutrición y descomposición de los seres vivos y sus restos. El más lento es el geoquímico, encargado de regular la transferencia entre los suelos y la atmósfera y relacionado por la formación de combustibles fósiles a partir de la fosilización de la materia orgánica (formación de carbón, gas natural y petróleo) y su combustión o liberación como resultado de los procesos geológicos.

Ciclo rápido. El papel de la fotosíntesis como sumidero

En cuanto al ciclo rápido, con la fotosíntesis los sistemas biológicos incorporan dióxido de carbono de la atmósfera en compuestos orgánicos (cadenas de carbonos) que mantienen almacenado, en las uniones, la energía química resultante de la transformación de la energía luminosa durante el proceso de la fotosíntesis. El gas entra en la planta a través de los estomas (poros) de las hojas. La materia orgánica formada en primer lugar son los hidratos de carbono tipo glicosa, a partir de la cual se forman las demás substancias. El proceso fotosintético puede resumirse en la siguiente ecuación global:

La mayoría de la absorción del dióxido de carbono tiene lugar en los bosques juveniles. Se sabe que las plantas crecen más vigorosamente en ambientes ricos en dióxido de carbono. A medida que los árboles van creciendo, va aumentando la importancia de la respiración para mantener más biomasa, llegando un momento en que la respiración se compensa con la fotosíntesis en cuanto a la entrada y salida de dióxido de carbono.

El bosque en el ciclo rápido

En este sentido, un ecosistema forestal actúa como un sumidero (eliminación neta de CO₂ atmosférico) cuando hay un aumento de la suma de las existencias totales retenidas en la misma vegetación forestal (árboles y plantas) en relación al dióxido de carbono liberado por la respiración y descomposición (reacción inversa a la de la fotosíntesis) de ese bosque, lo que ocurre en bosques juveniles.

A medida que el bosque se va haciendo maduro, estas cantidades de sumidero y fuente de dióxido de carbono se van igualando, llegando a un equilibrio. En esta evolución se puede llegar a situaciones de bosques viejos, donde la liberación de CO₂ supere a la incorporación.

Teniendo en cuenta que los bosques se van haciendo más viejos al tiempo que van aumentando los problemas de deforestación y los incendios forestales, la capacidad de los mismos para actuar como sumideros de dióxido de carbono es limitada, secuestrando como máximo un 20% de nuestras emisiones a la atmósfera.

Aunque no debemos desechar el papel de los bosques como sumideros de CO₂, la clave para conseguir esta retirada del exceso de dióxido de carbono tenemos que encontrarla en el mar, donde la cantidad de carbono disuelto es del orden de unas 50 veces mayor que la cantidad presente en la atmósfera. Por tanto, en la hidrosfera nos encontramos con las mayores posibilidades de sumidero de C que quedará formando parte de las rocas carbonatadas y de los caparazones y conchas de moluscos y crustáceos, junto con las formaciones coralinas.

El ciclo lento y su relación con el problema

Al disolver las rocas con silicatos de calcio del continente, (por ejemplo basaltos), dando lugar a bicarbonatos disueltos en agua cara el océano. En este medio los bicarbonatos pasan a los seres vivos, incorporado el C que está en la atmósfera. Parte de los cadáveres de estos seres vivos se entierran sin descomponerse, siendo fosilizados como en el caso del petróleo o de las rocas sedimentarias orgánicas. Estas estructuras geológicas formadas a partir de los seres vivos alejan el C del ciclo.

Sin la capa de los gases de invernadero, gran parte del calor de la Tierra retornaría al espacio. Esta capa se configuró como resultado de un equilibrio natural alcanzado en el transcurso de mucho tiempo. Con esta capa la Tierra quedó dotada de la temperatura necesaria para el desarrollo de la vida y los seres vivos pasaron a jugar un papel fundamental en el mantenimiento del equilibrio necesario para sostener esta capa y el efecto invernadero natural necesario para la vida (ciclo del carbono).

Pero si bien estos gases son necesarios, el exceso, en concreto de dióxido de carbono emitido por coches y centrales térmicas, está produciendo una subida constante de la temperatura. Esto es así porque estas combustiones derivadas de la actividad humana, son el resultado de la extracción de los combustibles fósiles y su combustión, lo que conlleva la aceleración artificial de la velocidad de la parte lenta del ciclo (aceleración artificial de la velocidad del plato). También se están produciendo desequilibrios en la parte rápida del ciclo (piñón) con las actividades humanas incendiarias y de deforestación.

Este exceso de dióxido de carbono liberado a la atmósfera por combustión de combustibles fósiles, sumado a los efectos de la actividad humana en la deforestación por talas e incendios, suponen la alteración del ciclo del carbono y la emisión de un exceso de CO₂(g) a la atmósfera lo que trae consigo un incremento del grosor en la capa de gases invernadero.

A medida que esta capa crece, se refuerza la analogía con el vidrio (aumenta el efecto invernadero) que es el que provoca la subida constante de la temperatura. De los veinte años más calientes de los que se tiene registro, la mayoría son posteriores a 1980. Impedir que la atmósfera terrestre pase de esta situación de invernadero en la que está entrando a una situación de estufa natural, representa uno de los mayores retos a los que se enfrentarán los nuevos científicos del siglo XXI.