El albedo y la temperatura de la superficie terrestre

La primera entrada del blog estaba dedicada a la constante solar, la potencia que nos llega del Sol por unidad de superficie perpendicular a la dirección del Astro Rey. La razón espero que haya resultado obvia a los lectores casuales que pasasen por allí: La energía del Sol es el principal motor del clima en la Tierra.

Recordemos de esa primera entrada que si repartimos esa potencia que nos llega del sol por toda la superficie terrestre obtenemos  340 W/m². Por supuesto, no toda esa radiación alcanza la superficie. La relación entre la parte reflejada y el total incidente se conoce habitualmente con el nombre de albedo.

Una breve historia de las mediciones del albedo terrestre

Arrhenius utilizó en su modelo climático de 1896 una estimación cruda del albedo a partir de la reflectividad de tres sustancias: agua, corteza terrestre y nieve+nubes a las que asignó respectivamente 0,075, 0 (absorción total) y 0,5. Podemos compararlos con valores más recientes en la siguiente tabla.

albedo
Fuente: Budikova, D. (2013). Albedo.

Una manera de estimar el albedo es promediar los valores de reflectividad para los diferentes componentes de la corteza terrestre y las nubes, pero la variabilidad de esa cantidades hacen que sea un método realmente impreciso.

albedoaverage
Albedo medio de la superficie terrestre. Fuente: Sandro Lubis 2012

Tan pronto como en 1912, a los astrónomos se les ocurrió utilizar la luz reflejada por la luna procedente de la atmósfera terrestre para estimar el albedo. El pionero fue Frank Very, quien obtuvo un valor muy alto del albedo (0,89), del orden del que tendría una superficie completamente cubierta de hielo. Cuatro años más tarde sería corregido a la baja (0,41) por Henry Russell. Very había deducido correctamente que el el albedo terrestre era cinco veces el de La Luna, pero asignó a este último un valor muy elevado. Russell daba un valor del albedo lunar en 0,07, un número muy aproximadamente correcto.

Goode et al. recuperaron en 2001 este procedimiento,  determinando un valor bastante preciso del albedo (0,297±0,005) perfectamente compatible con las simulaciones basadas en la cubierta de hielo y nieve y los datos de satélites de la cubierta de nubes (0,296±0,002)

Durante las últimas dos décadas no se ha observado ninguna tendencia global de variación del albedo, que se mantiene en variaciones anuales dentro de un 4 por mil, aunque sí se han observado variaciones locales como la disminución de la reflectividad del hielo Ártico (ver Earth Observatory)

global_albedo_changes
Variaciones del albedo medio global. Fuente: Earth Observatory

Inventario radiativo de la Tierra

Otra manera de deducir el albedo terrestre es haciendo un inventario de la energía absorbida, reflejada y re-emitida asumiendo que existen un balance del tipo

Radiación recibida del Sol = Radiación reflejada + emitida por la Tierra

El primer inventario de esta balance energético fue realizado tan pronto como en 1908 por el astrónomo Charles Abbot del Smithsonian Astrophysical Observatory en colaboración con F. E. Fowle.

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Fuente: A history of presatellite investigations of the earth’s radiation budget

Podemos observar que con objeto de cuadrar cantidades difíciles de medir con precisión, Abbot y Fowle llegaron a un valor no muy desencaminado del albedo.

Ese balance energético del planeta (al que supongo que dedicaremos una entrada detallada más adelante) ha sido actualizado recientemente por Graeme L. Stephens et al. 2012. La parte que nos interesa es la parte izquierda correspondiente a la luz solar —conocida en este mundillo como onda corta (shortwave)—

eebupdated

Nos quedamos con el valor de 100 W/m² como valor estándar de la potencia reflejada y por tanto 240 W/m² como potencia que incide sobre la superficie. Esos valores son equivalentes a un albedo de 0,3.

Quizás nos detendremos, en alguna entrada futura, en las variaciones espacio-temporales del albedo sobre la superficie de la Tierra, un tema que también ha estado sometido a cierta polémica.

TEMPERATURA de equilibrio

Vamos al meollo de la entrada. Podemos calcular la temperatura de equilibrio de la superficie terrestre si esta absorbiese toda esa radiación. En tal caso, ésta se iría calentando y emitiendo cada vez más radiación al espacio hasta producirse un equilibrio radiativo.

Sabemos que un cuerpo completamente absorbente puede modelarse como un cuerpo negro que emite una radiación térmica característica a cada temperatura. La potencia total por unidad de superficie (S) en W/m² de esa radiación puede relacionarse con la cuarta potencia de la temperatura de equilibrio (Te) expresada en Kelvin por la ley de Stefan-Boltzmann, que simplificaremos de momento, para facilitar el cálculo como

T_{e}=64,8\, \sqrt[4]{S}

Para 240 W/m² obtenemos una temperatura de equilibrio de 255 K, o unos -18ºC. Esa podría parecer la temperatura típica de una Tierra sin atmósfera, aunque hay sutilezas —como vemos por ejemplo en el contraste de temperaturas observadas en ambas caras de la Luna, que podría considerarse en principio un objeto que debería ajustarse mejor a este modelo. Nada más lejos de la realidad— En realidad, podemos entender mejor esa temperatura como la que mediría una observador lejos de la Tierra a partir de la radiación infrarroja emitida por lo alto de la atmósfera.

El lector puede visualizar cómo se produce el equilibrio para diferentes valores de la constante solar y el albedo pinchando en la imagen a continuación.

energybalancemodel

También se puede introducir valores de la emisividad que simulan de manera sencilla la presencia de una atmósfera con gases de efecto invernadero en un primer modelo de libro de texto de una atmósfera representada como una sola capa. Se suele citar la temperatura media de la superficie terrestre como unos 15ºC. Para obtener dicho valor el modelo de una capa, se puede jugar con una emisividad en torno a 0,80, lo que nos da una primera pista importancia de la presencia de gases de efecto invernadero en la atmósfera para elevar la temperatura a valores más “amigables”. Pero esa será otra historia.

Modificada el 06/07/2016

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El albedo y la temperatura de la superficie terrestre

6 comentarios en “El albedo y la temperatura de la superficie terrestre

  1. Albert dijo:

    Discrepancias en la medida de la Constante Solar,… discrepancias en la medida del Albedo,… al final va a resultar que sí que es difícil esto de la climatología,… XD
    Muy interesante el post y muy interesantes los enlaces, gracias y saludos.

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  2. En realidad, el valor del albedo está dentro del 2% de error. No está mal. El problema está en la variaciones espacio-temporales. Piensa por ejemplo en un planeta futuro con más vegetación y menos hielo por ejemplo. El albedo cambiaría y por tanto la cantidad de energía incidente. Será interesante ver en el futuro (si consigo llegar has ahí), cómo influye en las predicciones de los modelos climáticos. Pero todo a su tiempo. Por los visto, globalmente, el efecto de los cambios del albedo de superficie es mucho menor que el del vapor de agua y las nubes, aunque es interesante conocerlo en detalles para modelar los cambios a nivel más local.

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  3. Albert dijo:

    Según entiendo ese 2% de precisión podría convertirse en un 0,1% en breve tiempo, lo cual es una buenísima noticia:
    El 20 de Julio de 2015 el satélite Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) envió su primera fotografía desde su órbita de Halo en torno al Punto de Lagrange L1 del sistema Sol-Tierra, desde donde estudiará la radiación (fotones y partículas) emitida por el Sol con dirección a la Tierra.
    Uno de los instrumentos científicos de a bordo es el Radiómetro de Cavidad NISTAR:
    “El objetivo de NISTAR es medir el balance energético de la Tierra (radiación solar que llega al planeta y proporción que se refleja al espacio), con una precisión suficiente (0,1%) para mejorar nuestra comprensión de los efectos de los cambios sobre ese balance causados por las actividades humanas y los fenómenos naturales”
    Crucemos los dedos por el éxito de DSCOVR.
    https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/d/dscovr
    Saludos.

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