El efecto invernadero, explicado con física de bachillerato
Tabla de contenido
El efecto invernadero es un proceso físico natural mediante el cual determinados componentes de la atmósfera absorben y reemiten parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre. Sin este efecto, la temperatura media de equilibrio de la Tierra sería mucho menor que la observada.
Comprenderlo exige separar dos ideas: la radiación solar que entra y la radiación térmica que sale.
1. La Tierra recibe y emite energía #
La superficie recibe radiación solar principalmente de onda corta y pierde energía mediante radiación infrarroja de onda larga, además de intercambios de calor sensible y latente.
La emisión térmica de una superficie puede aproximarse mediante la ley de Stefan-Boltzmann:
$$ F = \varepsilon\sigma T^4 $$donde \(\varepsilon\) es la emisividad, \(\sigma\) la constante de Stefan-Boltzmann y \(T\) la temperatura absoluta en kelvin.
La potencia radiada crece con la cuarta potencia de la temperatura, por lo que pequeños cambios de temperatura modifican de forma apreciable la emisión.
2. ¿Qué hacen los gases de efecto invernadero? #
Gases como vapor de agua, dióxido de carbono, metano y óxido nitroso absorben radiación infrarroja en determinadas bandas espectrales. Después, la energía absorbida se redistribuye mediante colisiones y reemisión radiativa.
La atmósfera no actúa como una manta sólida que «rebota» toda la radiación. Es un medio radiativamente activo en el que la energía puede ser absorbida, emitida y transportada por movimientos del aire.
3. La importancia de la altura de emisión #
Una manera útil de entender el efecto invernadero es preguntar: ¿desde qué altura escapa al espacio la radiación infrarroja?
Si la atmósfera es más opaca en una determinada banda, el espacio recibe radiación desde niveles atmosféricos más altos. En el balance global, la temperatura de esos niveles y la estructura térmica de la atmósfera deben ajustarse para que la energía que sale vuelva a igualar, a largo plazo, la energía solar absorbida.
4. Por qué aumentar CO₂ calienta el sistema #
Añadir dióxido de carbono aumenta la capacidad de la atmósfera para absorber radiación infrarroja en determinadas bandas. El resultado inicial es un desequilibrio energético: durante un tiempo, el sistema retiene más energía de la que emite al espacio.
La temperatura del sistema aumenta hasta que la emisión infrarroja vuelve a crecer lo suficiente como para compensar la entrada de energía.
Esto no significa que la temperatura suba de manera uniforme en todo momento. Océanos, hielo, vegetación y circulación atmosférica introducen escalas temporales y espaciales muy diferentes.
5. Efecto invernadero natural y aumento antropogénico #
El efecto invernadero natural es imprescindible para mantener un planeta habitable. El problema climático contemporáneo no es que exista efecto invernadero, sino el aumento de la concentración de gases de efecto invernadero debido principalmente a actividades humanas, que modifica el balance radiativo.
6. Errores frecuentes #
- No es correcto decir que el CO₂ «crea calor» de la nada: modifica el flujo radiativo y el balance energético.
- No es correcto afirmar que la atmósfera solo deja pasar luz visible y bloquea todo el infrarrojo.
- El efecto invernadero no es equivalente al calentamiento de un invernadero de cristal, cuyo funcionamiento también implica dinámica del aire.
- Un día frío no contradice un calentamiento climático a largo plazo.
7. Relación con el balance radiativo #
El efecto invernadero debe estudiarse junto con albedo, nubes y radiación solar. Si \(A\) es el albedo planetario, una forma simplificada de representar la energía solar absorbida es:
$$ F_{\mathrm{abs}}=\frac{S_0}{4}(1-A) $$La atmósfera modifica la forma en que el sistema devuelve esa energía al espacio, especialmente mediante la radiación infrarroja.