¿Que el sol esté en el punto más alto quiere decir que es
cuando hace más calor? Pues no. La temperatura más alta de un día veraniego se
registra entre 3 y 4 horas después del mediodía solar. En España suele ser
entre las 17:00 h y las 19:00 h. Pongo como ejemplo la gráfica de temperatura en
el aeropuerto de Barajas cuando comencé a escribir este artículo (Figura 1).
Se puede observar que la temperatura aumenta desde las 7 de
la mañana y no deja de subir hasta las 19:00 h. ¿Por qué sucede esto? Es cierto
que el sol, una vez sobrepasado su cenit, no calienta tanto, pero la suma del
calor acumulado durante el día en el suelo y el calor que aún provocan los
rayos suficientemente perpendiculares hacen que el mercurio siga subiendo.
Llega un momento alrededor de las 20 horas en que esto ya no se cumple y cuando, por fin, empieza a bajar la temperatura. No obstante, la temperatura a esa hora (38,7 º) es mayor a la que se alcanza a las 12 (36, 1º), cuando parece que el calor aprieta más.
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| Figura 1. Temperaturas en el aeropuerto de Madrid-Barajas el 18 de junio de 2022. |
¿Por qué hace más frío cuando más nos acercamos al sol?
Cuando volamos en un avión a una altura de crucero de unos once kilómetros, la temperatura puede alcanzar los 50 ºC bajo cero. Por eso, cuando nos quejamos del frío que hace en la cabina de un avión, en realidad lo que sufrimos son los efectos de la calefacción. Pero, por qué hace siempre más frío allá arriba. Ya que estamos más cerca del sol, ¿no debería suceder lo contrario?
Pues no. El descenso de temperatura con la altitud es debido
a que el aire no se calienta directamente por los rayos solares, sino por la
irradiación calorífica desde el suelo. Esta es la razón de que al nivel del suelo
la temperatura sea mayor, o dicho de otro y más impropio modo, de que haga más
calor.
Radiación solar
La radiación del sol es una mezcla de radiaciones de
longitudes de onda que oscilan entre 200 y 4000 nanometros (nm), en la que se distinguen
tres bandas: ultravioleta (menos de 360 nm), luz visible (360 a 760 nm) y
radiación infrarroja o calorífica (más de 760 nm), con un máximo en la luz
visible (Figura 2).
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| Figura 2. (A) La luz es una forma de radiación electromagnética, un tipo de energía que viaja en ondas. En conjunto, todos los tipos de radiación conforman el espectro electromagnético. (B) El espectro visible para el ojo humano es la radiación cuya longitud de onda (λ) está aproximadamente entre 400 y 700 nm. Se pueden ver los diferentes colores cuando la luz blanca atraviesa un prisma y la apreciamos como un arco iris. Dibujo de Luis Monje. |
La radiación ultravioleta de onda corta lleva mucha energía
e interfiere con los enlaces moleculares provocando cambios que pueden alterar
moléculas tan importantes para la vida como el ADN, lo que provocaría daños
irreparables si no fuera porque son absorbidas por la capa de ozono
estratosférica, responsable de que la radiación ultravioleta inferior
a 300 nm que llega a la superficie terrestre sea tan insignificante como para
no matarnos.
Cuando la luz solar atraviesa un prisma, se dispersa en una
serie de longitudes de onda exhibiendo colores diferentes: rojo de 760 a 626
nm, naranja de 626 a 595, amarillo de 595 a 574, verde de 574 a 490, azul de
490 a 435, y violeta de 435 a 360. Todos estos colores constituyen el espectro
visible.
La radiación infrarroja lleva poca energía asociada. Su
efecto es acelerar las reacciones o aumentar la agitación de las moléculas, es
decir, en producir el calor y, con él, el aumento de temperatura. El CO2,
el vapor de agua y las pequeñas gotitas de agua que forman las nubes absorben
con mucha intensidad las radiaciones infrarrojas, las cuales –por otra parte-
representan una proporción insignificante de las emitidas por el sol.
La radiación infrarroja lleva poca energía asociada. Su principal efecto es acelerar las reacciones o aumentar la agitación de las
moléculas, es decir, lo que llamamos el calor que produce aumento de temperatura.
El CO2, el vapor de agua y las pequeñas gotitas de agua que forman
las nubes absorben con mucha intensidad las radiaciones infrarrojas, las cuales
–por otra parte- representan una proporción insignificante de las emitidas por
el sol.
De la energía que llega a la línea de
Kármán, el límite superior de la atmósfera, solo una parte alcanza la
superficie terrestre porque la mayor parte es absorbida por la atmósfera y otra
parte por la vegetación. En unas condiciones óptimas, con un día perfectamente
claro y con los rayos solares cayendo casi perpendiculares, solo las tres
cuartas partes de la energía que llega del exterior alcanzan como mucho la
superficie terrestre.
La energía que llega a nivel del mar suele ser un 49% de
radiación infrarroja, 43% de luz visible, un 7% de radiación ultravioleta y el
1% restante en otros rangos. En un día nublado se absorbe un porcentaje mucho
más alto de energía, especialmente en la zona del infrarrojo, lo que explica
que los días nublados resulten más fresquitos.
La temperatura media en la tierra se mantiene prácticamente
constante en unos 15 ºC, pero la que se calcula que tendría si no existiera la
atmósfera sería de unos -18 ºC. Esta diferencia de 33 ºC tan beneficiosa para
la vida se debe al efecto invernadero, fundamentalmente basado en las
diferencias de longitud de onda entre la radiación que recibe la Tierra y la
que emite.
La causa de que la temperatura se mantenga constante es
debida a que, de acuerdo con las leyes de la Termodinámica, la tierra devuelve
al espacio la misma cantidad de energía que recibe. Si la energía devuelta
fuera algo menor que la recibida, la tierra se iría calentando paulatinamente y
si devolviera más se iría enfriando. Lo importante para lo que nos ocupa es que,
aunque la cantidad de energía retornada es igual a la recibida, el tipo de
energía que retorna es distinto.
La radiación terrestre es la que nos calienta
La energía solar directa no es un efectivo calentador de la
atmósfera, sino que esta es calentada por contrarradiación desde la tierra. Las
radiaciones que llegan del sol vienen de un cuerpo que está a casi 6000 ºC,
pero las radiaciones que la superficie terrestre devuelve a la atmósfera corresponden
a las de un cuerpo negro
que esté a 15 ºC, cuyas longitudes de onda son mayores que las recibidas y,
como consecuencia, mientras que la energía recibida es una mezcla de radiación
ultravioleta, visible e infrarroja, la energía que devuelve la superficie terrestre
es fundamentalmente en forma de calor (infrarroja) y algo, muy poco, de luz
visible (albedo).
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| Figura 3. Balance térmico de la radiación solar (energía
luminosa en amarillo; energía calorífica en rojinegro). De cada 100 calorías
llegadas del sol y que alcanzan la atmósfera terrestre, sólo 15 de ellas son
absorbidas por el aire en forma de energía luminosa, mientras que el suelo
recoge 43. Por tanto, el calor del suelo proviene en un 91% de lo recibido. Por
su parte, el calor suministrado por el suelo en forma radiación oscura supone un 72% y solamente un 28% procede de los rayos luminosos solares. Una parte del calor
oscuro emitido por el suelo atraviesa la atmósfera y, a pesar de las nubes, del
vapor de agua y de los gases se pierde en la exosfera (8%). La
temperatura de las capas bajas depende
primordialmente de la temperatura del suelo y de sus características: con cobertura vegetal o no,
superficies líquidas y superficies congeladas. Dibujo de Luis Monje. |
De los 324 vatios/m2 que llegan de media a la superficie terrestre (aproximadamente una cuarta parte de la constante solar), 236 son reemitidos al espacio en forma de radiación infrarroja, 86 son reflejados por las nubes y 20 lo son por el suelo en forma de radiaciones de onda corta (Figura 3).
A medida que amanece y avanza la mañana, la superficie terrestre
comienza a absorber más calor del que pierde por radiación, así que la
temperatura aumenta rápida y progresivamente. Al cabo de varias horas, la
superficie alcanza una temperatura relativamente alta y la cantidad de
radiación absorbida es aproximadamente igual a la perdida debida a la nueva
radiación.
Este equilibrio se mantiene hasta que comienza a disminuir
la insolación durante la tarde. Después que se haya puesto el sol, la
superficie caliente de la tierra continúa liberando el calor acumulado hacia la
atmósfera por radiación y, ya que no recibe más energía solar, la temperatura
disminuye constantemente durante la noche.
La pérdida nocturna de calor se ve acelerada por el efecto
de enfriamiento de la evaporación del suelo, de manera que las temperaturas bajan
característicamente más que las del aire, lo que provoca que la temperatura mínima de
la superficie se alcance justo antes del amanecer.
Una cubierta de nubes absorbe radiación de onda larga y la
reemite hacia la superficie en la noche, pero tal fenómeno no ocurre en las
noches con cielos despejados porque la radiación escapa al espacio haciendo
disminuir más la temperatura nocturna. Las noches con cielos despejados son más
heladas que las noches con cielo nublado; por el contrario, durante los días
nublados, las temperaturas máximas son menores que con cielo despejados, ya que
las nubes impiden el paso de la radiación solar directa. Por ejemplo, los
desiertos son muy cálidos en el día y muy fríos en la noche por causa de la
ausencia de este efecto amortiguador de las nubes.
La atmósfera es, pues, transparente a la radiación de onda
corta del sol, pero absorbe la radiación terrestre de onda larga, de donde se deduce
fácilmente que la atmósfera no es calentada por la radiación solar, sino que se
calienta desde el suelo hacia arriba.
Mi amigo debería salir a pasear bien temprano. El problema, confiesa, es que no le gusta madrugar. ©Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.
