Móviles perpetuos en atmósferas planetarias

La mayoría de entradas de este blog se han limitado a conceptos básicos, aunque hemos realizado algunos modelos interesantes algo más avanzados. La filosofía implícita es que la correcta aplicación de los conceptos básicos puede a uno llevarlo bastante lejos y, por el contrario, su deficiente comprensión a hacer el ridículo con facilidad.

Hoy vamos con un ejemplo que además nos demostrará cómo el uso de conceptos básicos que hemos desarrollado en este blog —más otros conceptos de termodinámica básica—, pueden ayudarnos a desmontar una idea que ha circulado por ahí y que incluso se ha publicado en una revista académica con el lamentable consentimiento de los revisores; Un ejemplo más de que el proceso de revisión por pares no siempre funciona (ver el comentario sociológico al final de la entrada).

El argumento consiste en que el calentamiento de la superficie de una atmósfera planetaria se debe básicamente a la presión y no a los gases de efecto invernadero (gei). Así, Venus tiene una presión elevada (90 bar) y una temperatura superficial descomunal (467ºC) y Marte un presión muy baja (6 mb) y una tª superficial típica de -55ºC. La Tierra ocuparía un lugar intermedio entre ambos.

Para demostrar el absurdo del argumento, empecemos con nuestro socorrido modelo de atmósfera sin gei, tal y como una atmósfera de nitrógeno puro. En el equilibrio radiativo, la emisión de la superficie sería igual a la radiación solar incidente. Por ejemplo, para nuestro planeta, los flujos radiativos quedarían de la siguiente manera:

equlibrioradiativo

Ese equilibrio radiativo se produce con una temperatura de superficie de -18ºC. Si pretendemos aumentar esa temperatura necesitamos un mecanismo que proporcione trabajo, creando un flujo descendente de energía. Un buen símil es el trabajo que hacemos con una bomba cuando inflamos el neumático de una bici. El aire se calienta y la causa de esta elevación momentánea de la temperatura es el trabajo realizado que provoca compresión; ¡Termodinámica básica!

Uno podría pensar que ese trabajo podría proporcionarlo la gravedad en este caso. Pensemos en una contracción gravitatoria, donde el gas se calienta por el trabajo realizado debido al cambio de energía potencial en la contracción. ¡Pero la atmósfera ya estaba ahí! ¡Y está en equilibrio hidrostático!

El equilibrio hidrostático establece una relación entre presión, densidad y temperatura proporcionadas por la ecuación de estado (la de un gas ideal por ejemplo) y la primera ley de la termodinámica. Podemos poner esas cantidades en función de la altitud en la atmósfera, pero sólo está determinada la pendiente de la variación y no sus valores absolutos (ver El origen del gradiente térmico de la troposfera)

dryadiabaticlapserate.png Imagen PNG 660 × 436 píxeles

La escala de temperaturas estará precisamente determinada por el equilibrio radiativo. En el caso de nuestro planeta Tierra imaginario con una atmósfera sin gei, esa temperatura sería de -18ºC. Al introducir gases de efecto invernadero, dicho equilibrio radiativo se traslada desde la superficie a una capa más elevada en la atmósfera. Y eso determina unívocamente la temperatura de la estratosfera como límite isotermo (214 K)

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A partir de ahí, la concentración de gases de efecto invernadero nos permite calcular un parámetro conocido como grosor óptico que determina exactamente el gradiente térmico de equilibrio radiativo de la atmósfera.

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Gradiente térmico de equilibrio radiativo T⁴(z) = 214⁴ (1+τ0 exp(-z/H)) calculado para una concentración de CO2 de 3 ppm con grosor óptico total τ0 = 1.08 y una escala de troposfera H = 2,6 km (ver Atmóferas de planetas imaginarios)

 

Y ahora sí que existe un flujo de energía extra hacia la superficie generado por los gei. Por supuesto, todos los flujos están equilibrados ¡cumpliendo las leyes de la termodinámica!

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Balance energético de la atmósfera real de nuestro planeta actualizado recientemente por Graeme L. Stephens et al. 2012.

En la imagen vemos que los gei contribuyen a generar un flujo infrarrojo hacia la superficie de unos 350 W/m² que, junto a los 170 W/m²  que llegan como luz solar visible, fuerza el calentamiento de la superficie hasta unos 15ºC de media hasta emitir unos 400 W/m².

Por supuesto, ya hemos visto que ese flujo de radiación infrarroja hacia la superficie ha sido medido en muchas ocasiones justo con las características espectrales esperadas como resultado de la emisión de los gei presentes en la atmósfera.

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Radiación IR hacia la superficie medida por Ellingson & Wiscombe (1996) en Wisconsin en 1991

Caso cerrado.

Anotación sobre sociología del proceso de revisión por pares

La idea de que el calentamiento de la superficie de un planeta se debe en gran parte a la presión atmosférica fue publicada bajo seudónimos por el físico  Ned Nikolov (como Den Volokin) y el meteorólogo retirado Karl Zeller (como Lark ReLlez) con la excusa de no interferir con el proceso de revisión, ya que sus ideas habían sido discutidas ampliamente en la esfera negacionista. La primera publicación (un artículo que, dicho sea de paso, no deja de ser interesante en algunas partes) fue aceptada por SpringerPlus en 2014. La segunda por Advances in Space Research en 2015. Esta última fue retira pocos meses después, como consta en el enlace.

Lo preocupante es que ambas pasasen el proceso de revisión por pares. Como hemos visto en esta entrada, se trataba sólo de manejar con cierta soltura los fundamentos de una disciplina, algo que se le supone a un revisor, más aún si hasta un humilde servidor, sólo un aficionado, puede construir el argumento para su rechazo sólo en base a principios básicos.

Y algo incluso más preocupante es que la retirada del artículo se haya producido en base a cuestiones relacionadas con los autores, como el hecho de haber utilizado seudónimos o tener una agenda negacionista, y no en base a la calidad de sus argumentos, algo que tampoco debería ocurrir en el proceso de revisión de las publicaciones.

El mismísimo Roy Spencer, el conocido escéptico (fíjese el lector que no digo negacionista) del cambio climático antropogénico tuvo que escribir una entrada en su blog para poner en orden el desvarío sobre física fundamental de atmósferas planetarias que se podía leer en estos artículos, aún sin mencionarlos.

Una actitud que me ha extrañado en toda esta historia es la de David Grinspoon, un conocido científico planetario, al considerar las ideas de Nikolov interesantes aunque no las formas que ha utilizado para su publicación.

En definitiva, un extraño caso donde nada ha funcionado como debería en el proceso de revisión por pares.

Móviles perpetuos en atmósferas planetarias

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