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En este módulo revisaremos los principios físicos que rigen el balance energético del planeta.
Entenderemos que es el efecto invernadero, el ciclo de carbono y el efecto del Cambio Climático en las especies.
Estos conceptos son esenciales para entender cómo funciona el clima en nuestro planeta y como la influencia de los gases de invernadero alteran este funcionamiento.
3.1. BALANCE ENERGÉTICO DE LA TIERRA
En este módulo revisaremos los principios físicos que rigen el balance energético del planeta. Estos conceptos son esenciales para entender cómo funciona el clima en nuestro planeta y como la influencia de los gases de invernadero alteran este funcionamiento.
Hablaremos de los flujos de entrada y salida de energía en nuestro planeta y definiremos los llamados forzamientos radiativos y que papel juegan en el cambio climático.
Hablaremos también del efecto invernadero natural que es esencial para que nuestro planeta tenga una temperatura adecuada para soportar la vida como la conocemos.
Hablaremos también de como el aumento en las concentraciones de gases de invernadero emitidos por la humanidad altera este efecto invernadero y aumenta las temperaturas del planeta.
3.1. BALANCE ENERGÉTICO DE LA TIERRA
La mayor parte de la energia que llega a nuestro planeta proviene del Sol.
Esta energia nos llega en forma de luz que sale del sol.
Principalmente visible y e infrarroja que es donde el sol masemite.
El clima de la Tierra esta gobernado por la Primera Ley de la Termodinamica y se rige por un principio muy simple: "La cantidad de energia que entra en un sistema debe ser la misma que sale".
La energía que sale del sol se emite en todas direcciones y entre más lejos se está del sol, menor es su intensidad. La intensidad es energía por unidad de tiempo y superficie y se mide en (W/m2). En la tierra, la intensidad del sol es de unos 1350- 1370W/m2.
3.1. BALANCE ENERGÉTICO DE LA TIERRA
Todos los cuerpos que estan por encima del cero absoluto radian energia y cuanto masalta es su temperatura mas energia radian. La Ley de Stefan Boltzmandescribe esta relacionentre la temperatura del cuerpo y la energiaemitida en forma de radiacion.
El sol es un cuerpo negro, por tanto la luz de los colores que emite dependen de la temperatura. Debido a su alta temperatura de 5800º K en la superficie emite luz en muchos colores o longitudes de onda. Principalmente en el visible y el ultravioleta pero tambien un poco en el infrarrojo.
LEY DE STEFAN BOLTZMAN
3.1. BALANCE ENERGÉTICO DE LA TIERRA
El albedo es el porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre ella. Una superficie blanca como la nieve o las nubes refleja casi el 100% de la luz incidente. La Tierra refleja alrededor del 30% de la energia del sol (valor promedio en el tiempo y el espacio de las diferentes zonas del planeta). Otros planetas como mercurio solo reflejan el 10% de la radiacion mientras que Venus refleja hasta el 75% de la luz del sol
Cambio en la reflectividad (%)Credit: NASA Earth Observatory images byRobert Simmon, data from CERES
La gráfica muestra cambios en el albedo (en porcentaje) a lo largo de los años y las variaciones son mínimas.
3.1. BALANCE ENERGÉTICO DE LA TIERRA
De la energia que llega a la Tierra en forma de radiacion solar, una parte se absorbe y otra se refleja. Ademas,. Los flujos de estrada y la Tierra mantiene su balance energetico debido a que tambien radia energia al espacio y esta radiacion es la que define la temperatura global de nuestro planetasalida de energia pueden variar en el tiempo o espacio, pero en promedio, los flujos de energia se mantienen constantes.
Radiación incidente
Radiacónsaliente
Incidente
Saliente
Espectro de la radiación del sol y la tierra
3.2. EL EFECTO INVERNADERO
La atmosfera juega un papel muy importante en el balance energetico de la Tierra. La energiasolar llega a la Tierra, la atmosfera y la tierra absorben una parte y reflejan otra. La energiaque no es reflejada calienta la superficie de la Tierra la reemite a longitudes de onda maslargas, en el infrarrojo. La radiacion infrarroja es absorbida en la atmosfera por los gases de efecto invernadero y parte retorna a la tierra.
3.2 EL EFECTO INVERNADERO
El efecto invernadero natural es vital para que las temperaturas en nuestro planeta sean adecuadas para la vida, pero este mismo efecto puede cambiar de forma fundamental el clima como lo hemos conocido en los ultimos 10 000 anos
La razon de que la superficie terrestre tenga la temperatura actual, 14º C de media, es la presencia de los gases de efecto invernadero. El efecto invernadero natural actua reflejando de vuelta parte de la radiacioninfrarroja emitida desde la superficie de la Tierra. Sin este efecto la temperatura promedio en la superficie de la Tierra seria de solo -19º C, una temperatura por debajo del punto de congelacion del agua. Por lo tanto, el efecto invernadero natural de la Tierra hace que la vida como la conocemos sea posible.
Esquema de como actúa la atmósfera reflejando parte de la radiación que sale de la tierra hacia el espacio.
3.2 EL EFECTO INVERNADERO
Un modelo simple para entender el funcionamiento del efecto invernadero es el de un cristal tintado que refleja parte de la radiación de sale de la tierra hacia el espacio
Si igualamos los flujos de energía incidente y saliente de la tierra podemos encontrar la temperatura terrestre.
Radio de la tierra albedoIntensidad incidente
Temperatura
Simplificando y resolviendo,obtenemos:
Sin considerar el efecto invernadero natural la Temperatura de la tierra sería negativa.T= 253 ºK = -20.15 ºC
3.2 EL EFECTO INVERNADERO
Si consideramos un cristal tintado que refleja parte de la radiación incidente podemos encontrar como aumenta la temperatura en el superficie. Si consideramos los flujos de energía sobre el cristal (glass) y sobre la superficie podemos apreciar el efecto invernadero
La temperatura sin efecto invernadero: T= 253 ºK = -20.15 ºCCon el efecto invernadero natural: T= 295 ºK = +21.85 ºC
Igualando los flujos de energía en el cristal (glass)
3.2 EL EFECTO INVERNADERO
El efecto invernadero natural es necesario para la vida en el planeta, pero si la concentración de gases de efecto invernadero aumenta, el efecto invernadero se amplifica elevando la temperatura de todo el planeta
El aumento de la concentración del CO2 en la atmósfera está relacionado con el aumento de la temperatura en la superficie. En la gráfica se puede observar la anomalía en la temperatura vs la concentración de CO2 en la atmósfera en partíclulas por millón (ppm). La relación entre ambas representa el efecto invernadero aumentado responsable pr el calentamiento global.
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Temperaturas y concentración de CO2
3.2 EL EFECTO INVERNADERO
La concentración de gases de efecto invernadero no son los únicos elementos que varían la temperatura en la tierra pero si son los más importantes para el calentamiento global observado. Esto nos permite concluir que este calentamiento es de origen antropomórfico o vinculado a la actividad humana
Existen una serie de factores (forzamiento radiactivo o radiativeforcing) que influyen en la cantidad de energia que entra en la tierra en forma de radiacion y por tanto pueden cambiar de forma significativa los flujos de entrada y de salida de la energia. Algunos de ellos son naturales y otros son de origen antropomorfico.
3.3 EL BALANCE ENERGÉTICO EN NÚMEROS
La energia solar que alcanza la orbita de la tierra es de 1368 (1350)W m−2.
Puesto que la superficie que hay que considerar para el flujo de entrada es de la sombra de la tierra y la superficie que consideramos para los flujos de salida es la de toda la esfera entonces podemos normalizar esta intensidad por esta relacion 4:1.
Con estos datos podemos calcular los flujos de energia que determinan el balance energetico de la Tierra La cifra del flujo de entrada es 342 (337) Wm−2. El 30 % es reflejado hacia el espacio (102 W m−2). La mayoria de esa radiacion reflejada procede de la atmosfera cuando la luz rebota en las nubes y en algunas particulas suspendidas en la atmosfera (aerosoles). El restante se refleja desde la superficie de la tierra por las zonas claras de la misma, como areas cubiertas de nieve, hielo o del desierto. El restante 70% de la radiacion que llega a la tierra es absorbida. Nubes, gases y aerosoles absorben el 23 % y la superficie de la Tierra el 47%
3.3 EL BALANCE ENERGÉTICO EN NÚMEROS
La radiacion solar absorbida calienta la Tierra y esta emite 396 W m−2 de radiacion de onda larga.
Muy poca de esta energia (40 W m−2 ) escapa hacia el espacio. Los gases, particulas y otros materiales suspendidos en la atmosfera absorben la mayoria de esta radiacion y emiten radiacion de onda larga en todas direcciones con alguna perdida hacia el espacio y hacia la superficie de la Tierra.
En total 199 W m−2 se pierde en el espacio, que junto con los 40 Wm−2 perdidos por la superficie hace un total de 239 W m−2 de radiacion emitida por la atmosfera y por la superficie de la Tierra que junto con los 102 W m−2reflejados hacen un total de 341 Wm−2.
Asi el balance de radiacion neta de la Tierra es cero, la radiacion solar absorbida es igual que la radiacion de onda larga emitida al espacio.
3.3 EL BALANCE ENERGÉTICO EN NÚMEROS
El ciclo del carbono consiste en la circulación y reutilización mundial de los átomosde carbono entre los seres vivos, los medios terrestres, los océanos y la atmósfera.La vida se basa en el carbono ya que forma la estructura a la que se unen otroselementos para formar los compuestos necesarios para la vida: glúcidos, lípidos,proteínas y ácidos nucleicos.
3.4 EL CICLO DEL CARBONO
Los reservorios de carbono en la Tierra son labiosfera, la hidrosfera, la atmósfera y lalitosfera. Los depósitos de carbono de la Tierraactúan como fuentes y como sumideros,agregan carbono a la atmósfera o lo eliminande ella. El intercambio continuo entre losdiferentes reservorios es el ciclo de carbono.El ciclo del carbono está en equilibrio cuandono hay cambios en el tamaño de las fuentes osumideros a lo largo del tiempo. Mantener unacantidad constante de CO2 en la atmósferaayuda a mantener temperaturas mediasestables a escala global.
INTERCAMBIO DE OXÍGENO ENTRE LA ATMOSFERA Y LA BIOSFERA
Las plantas y otros organismos fotosintetizadores intercambian carbono con la atmósferamediante la fotosíntesis. Usan la energía de la luz solar para combinar dióxido de carbono dela atmósfera con agua del suelo. De esta manera, crean glúcidos y liberan oxígeno.
Los consumidores incorporan el carbono al alimentarse de otros seres vivos, entre ellos lasplantas. Por otra parte, todos los seres vivos obtienen la energía que necesitan para llevar acabo sus funciones vitales a través de la respiración celular. Ésta consiste en la oxidación decompuestos ricos en carbono. Como resultado, se produce CO2 que es devuelto a laatmósfera.
FOTOSÍNTESIS6CO2 + 6H2O + Luz → C6H12O6 + 6O2
RESPIRACIÓNC6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia
CO2: dióxido de carbonoH2O: aguaC6H12O6: glucosaO2: oxígeno
INTERCAMBIO DE OXÍGENO ENTRE LA BIOSFERA Y LA LITOSFERA
Tanto plantas como animalesdepositan materia orgánica en elsuelo al producir desechos o al morir.Los descomponedores actúan sobreesa materia y por su acción elcarbono pasa al suelo.
A veces, los cadáveres quedan encondiciones anaeróbicas (sin oxígeno)fuera del alcance de losdescomponedores y se carbonizan dandoturba, hulla, petróleo, etc. Que seacumula en algunas partes de la Tierra.Los fenómenos de vulcanismo y lacombustión de los combustibles fósilesdevuelven a la atmósfera parte delcarbono en forma de CO2 .
INTERCAMBIO DE OXÍGENO ENTRE LA ATMÓSFERA Y EL OCÉANO
BOMBA BIOLÓGICA: Parte del CO2 pasa al océano por unproceso de disolución. Al igual que en la Tierra, por lareacción de fotosíntesis es fijado por los organismosmarinos. El carbono se mueve por la cadena trófica. Todoslos organismos marinos al igual que los organismosterrestres devuelven carbono al agua durante larespiración celular.
BOMBA DE SOLUBILIDAD: Parte del CO2 disuelto en lacapa superficial del océano reacciona directamentecon el agua formando ácido carbónico (H2CO3),bicarbonato (HCO2
−) y carbonato (CO32−) que se conoce
como Carbono Inorgánico Disuelto.
BOMBA DE CARBONATO: en una reacción en la que losorganismos marinos toman carbono inorgánico en formade CaCO3, que utilizan para construir sus exoesqueletos.Cuando los seres vivos marinos mueren sus restos caen alfondo del océano y el carbono forma sedimentos, en sumayoría restos óseos y exoesqueletos. Estos sedimentospueden ser compactados, convirtiéndose en rocas calizas.
INTERCAMBIO DE OXÍGENO ENTRE LA LITOSFERA Y EL RESTO DE RESERVORIOS
Este intercambio es muy lento, hasta millones de años. Por ejemplo las rocas calizas y losesquistos que forman parte del fondo oceánico pueden moverse durante millones de añospor la tectónica de placas, llegando a emerger a la superficie. Una vez expuestas a losprocesos atmosféricos, estas rocas son erosionadas por la acción del viento y el agua. Unaparte de los materiales disueltos pasa a formar parte de la hidrosfera y luego puede acabarpasando a la atmósfera. Esto completaría el ciclo.
Gracias al ciclo natural de carbono la concentración de CO2 se mantiene relativamenteestable en la atmósfera y en equilibrio con los otros reservorios. El aumento de CO2 debido ala quema de combustiones fósiles altera este ciclo. En la atmósfera el exceso de carbono haconducido a un calentamiento global de la Tierra, en la biosfera facilita el crecimiento de lasplantas y el exceso de carbono en los océanos acidifica las aguas superficiales, poniendo enpeligro la vida marina.
3.5 IMPACTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO SOBRE LA VIDA EN LA TIERRA
Uno de los valores más importantes de los ecosistemas es la biodiversidad, que es lavariabilidad de organismos vivos, incluidos los ecosistemas terrestres, los marinos y otrosecosistemas acuáticos y los complejos ecológicos de los que forman parte.La supervivencia de cada una de las especies que habitan en un determinado lugar es elresultado de la interacción de muchos factores ecológicos, tanto abióticos (la temperatura,la luz o el agua…) como bióticos (las relaciones entre los seres vivos como la competencia ola depredación).
Las alteraciones del sistemaclimático terrestre estánmodificando los factores físico-químicos como la temperatura o elagua disponible de los ecosistemas.Esto afecta al crecimiento o elcomportamiento de los organismos,modifica el tamaño y la estructurade las poblaciones, afecta a laestructura y el funcionamiento delos ecosistemas y puede modificarla distribución de los ecosistemasen el planeta.
CAMBIOS EN LA FENOLOGÍA DE LAS ESPECIES
En primer lugar, se han observado cambios en lafenología de muchas especies, es decir, la relación entrelos factores climáticos y los ciclos de los seres vivos.Esto puede provocar la desincronización de especiesque presenten algún tipo de relación, ya sea trófica(depredador-presa), mutualista (planta y organismopolinizador) o de cualquier otro tipo.
Además, se ha observado undesplazamiento de los hábitats demuchas especies hacia latitudesy/o altitudes más altas asociadoscon el clima.
EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE DISTRIBUCIÓN (JABALÍ)
MAPA GLOBAL DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS
Ciertas plagas (termófilas) podránexpandirse favorecidas por el aumentode temperaturas y en algunos casosllegar a especies o poblaciones quenunca se habían visto afectadas porellas.
Las alteraciones climáticasfavorecerán a aquellas especiesinvasoras que muestren uncomportamiento más plástico quesus homólogas no invasoras.
EXPANSIÓN DE ESPECIES INVASORAS (MOSQUITO TIGRE)
ESPECIES LONGEVAS
Los ecosistemas dominados porespecies longevas tardarán mucho enresponder al cambio y en recuperarsedespués. Por ejemplo, las migracionespueden retrasarse porque la dispersiónde estas especies suele ser un procesolento, y puede ocurrir que los nuevoshábitats hayan sido ocupados porotras especies con mayor capacidad dedispersión.
El impacto en masas de agua continentales serádiferente según el rango latitudinal. Será menosmarcado en los trópicos, moderado en latitudesmedias, y grande en latitudes altas.Cambios de temperatura pueden provocarmodificaciones en la composición de las especiesque viven en estas masas de agua que, a su vez,pueden afectar a la productividad general de losecosistemas y su utilidad a los seres humanos.
IMPACTO EN MASAS DE AGUA CONTINENTALES
IMPACTO EN MASAS DE AGUA OCEÁNICAS
La subida de la temperatura del aguadel mar produce decoloración ymuerte de los corales. Además, elaumento de la concentración del CO2
oceánico está elevando los niveles deacidez de los océanos, y esto va aafectar a la capacidad de los corales yde otros seres vivos para construir susesqueletos calizos.
La subida del nivel del mar provocará salinizaciónde acuíferos, llanuras inundables y zonaspantanosas de agua dulce.Por último se producirá una pérdida debiodiversidad por sumergimiento y/o mayorerosión de las zonas costeras como efecto de laelevación del nivel del mar.
IMPACTO EN MASAS DE AGUA CONTINENTALES
FUNCIONES DE LOS ECOSISTEMAS PARA EL SER HUMANO
ALIMENTOS
FÁRMACOS
MADERA
BIODIVERSIDAD
SUELO
CLIMA
RECREATIVO
EDUCATIVO
OCIO
