Clase 5 · Radiación
Entra visible, sale infrarrojo
MacroscópicoSubmicroscópico
Idea central. La Tierra recibe radiación mayormente visible y devuelve radiación infrarroja, porque está mucho más fría que el Sol.
Qué necesitás traer
Recordatorio corto de la clase 4: la luz visible va de $380$ a $700\ \mathrm{nm}$ y el infrarrojo tiene longitudes de onda más largas; a menor longitud de onda, mayor energía. Radiación y calor no son lo mismo: la radiación es energía que viaja como onda; el calor, una transferencia de energía entre cuerpos a distinta temperatura.
Desarrollo
Temperatura y longitud de onda
Todo cuerpo emite radiación, y qué radiación emite depende de su temperatura: cuanto más caliente es un cuerpo, más corta es la longitud de onda en la que emite con más intensidad (NASA Earth Observatory, Climate and Earth's Energy Budget).
| Cuerpo | Temperatura | Dónde emite con más intensidad |
|---|---|---|
| Sol | unos $5500\ ^{\circ}\mathrm{C}$ en su superficie | Luz visible |
| Tierra | unos $-20\ ^{\circ}\mathrm{C}$ de temperatura efectiva | Infrarrojo térmico (entre $8$ y $15\ \mu\mathrm{m}$, NASA) |
Por eso entra visible y sale infrarrojo: la radiación que llega del Sol es mayormente visible porque el Sol está muy caliente, y la que devuelve la Tierra es infrarroja porque la Tierra está mucho más fría.
Los cuatro destinos de la radiación
Cuando la radiación llega a algo (una nube, el aire, el suelo), le pueden pasar cuatro cosas distintas:
| Destino | Qué le pasa a la energía | Ejemplo terrestre |
|---|---|---|
| Reflexión | Rebota y vuelve a salir sin quedarse en el cuerpo | Nubes, hielo marino y nieve devuelven al espacio: en total, el 29 % de la energía solar |
| Transmisión | Atraviesa el cuerpo y sigue de largo | La luz solar atraviesa la atmósfera: el 48 % llega a la superficie y se absorbe ahí |
| Absorción | Se queda en el cuerpo, que gana energía | Vapor de agua, polvo y ozono absorben el 23 %; la superficie, el 48 % |
| Emisión | El cuerpo genera radiación propia y la manda hacia afuera | La superficie terrestre emite infrarrojo térmico |
Fijate que $29\% + 23\% + 48\% = 100\%$: toda la radiación solar que llega termina reflejada o absorbida. La emisión es distinta de las otras tres: no es lo que le pasa a la radiación que llega, sino radiación nueva que sale del cuerpo. Reflejar no es emitir: la nieve refleja luz visible del Sol; la superficie emite su propio infrarrojo.
Albedo
El albedo de una superficie es la fracción de la radiación que le llega y que refleja (UCAR Center for Science Education, Albedo and Climate):
$$\alpha = \frac{E_{\text{reflejada}}}{E_{\text{incidente}}}$$
donde $\alpha$ (alfa) es el albedo, un número entre 0 y 1 (o entre 0 % y 100 %). Un albedo cercano a 0 refleja casi nada y absorbe casi todo; uno cercano a 1 refleja casi todo.
| Superficie | Albedo | ¿Refleja mucho o poco? |
|---|---|---|
| Nieve fresca | $0{,}90$ (90 %) | Mucho |
| Hielo marino con nieve | hasta $0{,}90$ | Mucho |
| Hielo marino sin nieve | $0{,}5$ a $0{,}7$ | Bastante |
| Tierra, promedio del planeta | $0{,}31$ (UCAR) o $0{,}29$ (NASA) | Intermedio |
| Bosque | $0{,}15$ | Poco |
| Océano abierto | $0{,}06$ | Muy poco |
| Ciudad y nubes | Dato a completar | — |
Las dos fuentes dan valores algo distintos para el promedio de la Tierra (29 % y 31 %). No es un error: son estimaciones de organismos distintos, y conviene decir de cuál sale el número que usás.
El infrarrojo que sale no es «calor que sube»
Es común imaginar que la Tierra se enfría porque «el calor sube y se va». Lo que sale de la Tierra hacia el espacio es radiación infrarroja emitida por la superficie: energía que viaja como onda, en todas las direcciones, y que puede atravesar el vacío (clase 4). No es aire caliente subiendo ni «calor» como sustancia. Los satélites miden justamente ese infrarrojo emitido para conocer la temperatura de tierra y mar (NASA Science, Infrared Waves).
Y el agujero de ozono no tiene que ver con esto: el ozono absorbe ultravioleta (OMS), no el infrarrojo que emite la Tierra.
Animación
Descripción de la animación
Desde el Sol, que tiene unos 5.500 °C en su superficie, llega a la Tierra radiación que es sobre todo luz visible, de entre 380 y 700 nanómetros. En el dibujo se ve como ondas de paso corto.
Esa radiación tiene distintos destinos. Una parte rebota en las nubes y en superficies claras y vuelve al espacio: eso es reflexión, y en total es cerca del 29 % de la energía solar que llega. Otra parte atraviesa el aire, que se dibuja como partículas separadas con mucho espacio entre ellas: eso es transmisión. La atmósfera absorbe cerca del 23 % y la superficie cerca del 48 %: eso es absorción, y el suelo gana energía.
Después la superficie emite su propia radiación. Como la Tierra está mucho más fría que el Sol, esa radiación es infrarroja, de entre 8 y 15 micrómetros, y se dibuja como ondas de paso largo, punteadas, que salen en todas las direcciones. Es emisión: radiación que viaja, no calor que sube.
Por último se comparan tres superficies que reciben la misma luz: la nieve fresca refleja cerca del 90 %, el bosque cerca del 15 % y el océano abierto cerca del 6 %; el grosor del haz reflejado cambia con esa fracción. Cuanto menos refleja una superficie, más energía absorbe. La animación cierra con el esquema de los cuatro destinos y la frase «entra visible, sale infrarrojo».
Fuentes de la animación: NASA Earth Observatory, Climate and Earth's Energy Budget; UCAR, Albedo and Climate; NSIDC, Science of Sea Ice. Esquema, no está a escala real.
Láminas para descargar
Actividades
1. ¿Por qué el asfalto quema los pies y la nieve no?
Un mediodía de sol, el asfalto oscuro está mucho más caliente que una superficie clara al lado. Explicá por qué, nombrando qué le pasa a la radiación en cada paso:
- ¿Qué radiación llega del Sol y por qué es mayormente visible?
- ¿Qué fracción refleja cada superficie? Usá la idea de albedo (una superficie oscura tiene albedo cercano a 0; una clara, cercano a 1, UCAR).
- ¿Qué pasa con la energía que no se refleja?
- ¿Qué radiación emite después la superficie, y por qué en esa región del espectro?
2. Cambiar el color sin cambiar el Sol
Afirmación a defender: un cambio de albedo modifica la temperatura de una superficie sin que cambie la radiación que llega del Sol.
Autoevaluación
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación: leela aunque hayas acertado.
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