El efecto invernadero es un proceso que ocurre cuando la energía del sol de un objeto celeste es absorbida o dispersada por la atmósfera superior del objeto , impidiendo que esa energía llegue a la superficie, lo que da como resultado un enfriamiento de la superficie, lo opuesto al efecto invernadero . En un caso ideal en el que la atmósfera superior absorbiera toda la luz solar y fuera casi transparente a la energía infrarroja (calor) de la superficie, la temperatura de la superficie se reduciría en un 16%, lo que es una cantidad significativa de enfriamiento. [1]
Se ha descubierto que este efecto existe en la luna Titán de Saturno . [2] [3] En la estratosfera de Titán, una neblina compuesta de partículas de aerosol orgánico absorbe simultáneamente la radiación solar y es casi transparente a la energía infrarroja de la superficie de Titán. Esto actúa para reducir la energía solar que llega a la superficie y permite que la energía infrarroja escape, enfriando la superficie de Titán. Titán tiene un efecto invernadero y un efecto antiinvernadero que compiten entre sí. El efecto invernadero calienta Titán en 21 K mientras que el efecto antiinvernadero enfría Titán en 9 K, por lo que el calentamiento neto es de 12 K (= 21 K - 9 K). [3] [4]
Se ha sugerido que la Tierra potencialmente tuvo una neblina similar en el eón Arcaico , causando un efecto anti-invernadero. [5] Se teoriza que esta neblina ayudó a regular y estabilizar el clima primitivo de la Tierra. [5] Otros fenómenos atmosféricos además de las neblinas orgánicas actúan de manera similar al efecto anti-invernadero, como la capa de ozono estratosférico de la Tierra [4] y la termosfera, [3] [4] las partículas formadas y emitidas por los volcanes, [ 6] la lluvia radiactiva [3] [6] y el polvo en la atmósfera superior de Marte. [6]
Fuera del Sistema Solar, se han realizado cálculos del impacto de estas brumas en la estructura térmica de los exoplanetas. [7]
Para entender cómo el efecto invernadero afecta a un planeta o una gran luna con su estrella anfitriona como fuente externa de energía, se puede calcular un balance energético , de manera similar a como se hace para la Tierra. Para cada componente del sistema, la energía entrante debe ser igual a la energía saliente para mantener la conservación de la energía y permanecer a una temperatura constante. [8] Si un contribuyente de energía es mayor que el otro, hay un desequilibrio energético y la temperatura de un objeto cambiará para restablecer un equilibrio. Las fuentes de energía en todo el espectro electromagnético deben tenerse en cuenta al calcular el balance energético. En el caso de la Tierra, por ejemplo, se logra un equilibrio entre la radiación de onda corta entrante del Sol y la radiación de onda larga saliente de la superficie y la atmósfera. Después de establecer el balance energético de un componente, se puede derivar una temperatura.
En el caso más extremo, supongamos que la atmósfera superior de un planeta contiene una neblina que absorbe toda la luz solar que no se refleja de vuelta al espacio, pero al mismo tiempo es casi transparente a la radiación infrarroja de onda larga. Según la ley de Kirchhoff , dado que la neblina no absorbe bien la radiación infrarroja, tampoco será un buen emisor de radiación infrarroja y emitirá una pequeña cantidad en esta parte del espectro tanto hacia el espacio como hacia la superficie del planeta. Según la ley de Stefan-Boltzmann , el planeta emite energía directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura de la superficie. En la superficie, el balance de energía es el siguiente:
donde es la constante de Stefan-Boltzmann , es la temperatura de la superficie y es la radiación de onda larga saliente de la neblina en la atmósfera superior. Dado que la neblina no absorbe bien esta radiación de onda larga, se puede suponer que toda ella pasa al espacio. La energía solar entrante debe reducirse para tener en cuenta la cantidad de energía que se pierde al reflejarse al espacio, ya que no está dentro del sistema planeta-atmósfera. En la atmósfera superior, el balance energético es el siguiente:
donde es el flujo de energía solar entrante, es el albedo planetario (es decir, la reflectividad) y es la temperatura radiante media efectiva . El flujo solar entrante se divide por cuatro para tener en cuenta el promedio temporal y espacial en todo el planeta y el factor es la fracción de la energía solar que es absorbida por la neblina. Reemplazando con en la segunda ecuación, tenemos,
y la relación es igual a 0,84. Esto significa que la temperatura de la superficie se reduce con respecto a la temperatura media efectiva de radiación en un 16%, lo que es un efecto de enfriamiento potencialmente significativo. [1] Este es un caso ideal y representa el impacto máximo que puede tener el efecto antiinvernadero y no será el impacto para un planeta real o una luna grande.
En debates anteriores en la comunidad científica, anteriores a la definición actual establecida por el Dr. Christopher McKay en 1991, se hacía referencia al efecto invernadero como precursor de la glaciación del Precámbrico Tardío , describiéndolo más como un proceso de secuestro de carbono . [9] Este ya no es el uso actual del término, que enfatiza el enfriamiento de la superficie debido a la absorción de la radiación solar a gran altitud.
El efecto invernadero negativo es un fenómeno que puede producir un enfriamiento localizado, en lugar de planetario. Mientras que el efecto invernadero negativo implica una inversión de temperatura general en la estratosfera, el efecto invernadero negativo implica una inversión de temperatura localizada en la troposfera. Ambos efectos aumentan las emisiones térmicas salientes, localmente en el caso del efecto invernadero negativo y globalmente en el caso del efecto invernadero negativo. [10] [11]
La neblina orgánica en la estratosfera de Titán [4] absorbe el 90% de la radiación solar que llega a Titán, pero es ineficiente para atrapar la radiación infrarroja generada por la superficie. Esto se debe a que la ventana atmosférica de Titán se produce aproximadamente entre 16,5 y 25 micrómetros. [4] Aunque un gran efecto invernadero mantiene a Titán a una temperatura mucho más alta que el equilibrio térmico , el efecto antiinvernadero debido a la neblina reduce la temperatura de la superficie en 9 K. Debido a que el efecto invernadero debido a otros componentes atmosféricos la aumenta en 21 K, el efecto neto es que la temperatura real de la superficie de Titán (94 K) es 12 K más cálida que la temperatura efectiva 82 K (que sería la temperatura de la superficie en ausencia de cualquier atmósfera, asumiendo un albedo constante ). [3] [12] En el caso ideal antiinvernadero descrito anteriormente, el impacto máximo de la neblina orgánica en Titán es (1-0,84) 82 K = 13 K. Esto es más alto que los 9 K encontrados en Titán.
La neblina orgánica se forma a través de la polimerización de los productos de la fotólisis del metano y los nitrilos , lo que significa que los productos se combinan en cadenas más largas y moléculas más grandes. Estos polímeros derivados del metano pueden estar hechos de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y poliacetileno. [13] Sin embargo, la distribución de estos polímeros no es verticalmente uniforme en la atmósfera de Titán. Los polímeros de nitrilo y poliacetileno se forman en la atmósfera superior, mientras que los polímeros de HAP se crean en la estratosfera. [13] Estos polímeros luego se agregan para formar partículas de neblina. La opacidad a la luz solar de esta neblina orgánica en Titán está determinada principalmente por la tasa de producción de neblina. Si la producción de neblina aumenta, la opacidad de la neblina aumenta, lo que resulta en un mayor enfriamiento de la temperatura de la superficie. [3] Además, la presencia de esta neblina orgánica es la causa de la inversión de temperatura en la estratosfera de Titán. [4]
La presencia de una neblina orgánica en la atmósfera del Arcaico de la Tierra se sugirió por primera vez en 1983 y podría haber sido responsable de un efecto anti-invernadero. [14] [15] Esta hipótesis se deriva de los intentos de resolver la paradoja del Sol joven débil , donde una emisión solar reducida en el pasado debe conciliarse con la existencia de agua líquida en la Tierra en ese momento. Para explicar cómo el agua podría permanecer en forma líquida, se ha propuesto que los gases de efecto invernadero ayudaron a mantener la Tierra lo suficientemente caliente como para evitar que el agua se congelara por completo. Mientras que una hipótesis sugiere que solo el dióxido de carbono fue responsable del calor adicional, otra hipótesis incluye la presencia tanto de dióxido de carbono como de metano. Un modelo encontró que el metano en el Arcaico postbiótico podría haber existido en una proporción de mezcla de 1.000 ppm o más, mientras que el dióxido de carbono podría ser tan bajo como 5.000 ppm para evitar que la Tierra se congele, aproximadamente 12 veces la cantidad en 2022. [5] [16] [17] Sin embargo, en esta proporción de 0,2 de metano a dióxido de carbono, los productos derivados de la fotólisis del metano pueden polimerizarse para formar moléculas de cadena larga que pueden agregarse en partículas, formando la neblina orgánica anti-invernadero. [4] La neblina se forma cuando la proporción de metano a dióxido de carbono excede aproximadamente 0,1. [14] [15] Se postula que la neblina orgánica permitió la creación de un ciclo de retroalimentación negativa para estabilizar el clima en la Tierra Arcaica. [5] Si las temperaturas aumentaran en la Tierra Arcaica, la producción de metano aumentaría debido a la posible preferencia de los metanógenos por temperaturas más cálidas (ver termófilos ). [5] El aumento de las temperaturas también aumentaría la pérdida de dióxido de carbono a través de la meteorización debido a un supuesto aumento de las precipitaciones, lo que llevaría a una disminución de las concentraciones de dióxido de carbono. Esto conduciría a una mayor relación metano/dióxido de carbono y estimularía la producción de neblina orgánica. Este aumento de la producción de neblina orgánica conduciría a una mayor opacidad de la atmósfera a la luz solar, una disminución de las cantidades de energía solar que llegan a la superficie y, por lo tanto, una disminución de la temperatura superficial, anulando así el aumento inicial de la temperatura superficial. Una estimación del efecto antiinvernadero en la Tierra Arcaica calculó que el impacto sería de hasta unos 20 K en el enfriamiento de la superficie. [18]
En el estado actual de la atmósfera terrestre, existen algunas fuentes de un efecto antiinvernadero. Se ha sugerido que el ozono estratosférico y la termosfera terrestre crean un efecto antiinvernadero parcial debido a su baja opacidad térmica y altas temperaturas. [3] Además, se ha sugerido que el polvo expulsado como el de los volcanes y la lluvia radiactiva después de una guerra nuclear son ejemplos de un efecto antiinvernadero. [3] [6] Además, se ha visto que la formación de aerosoles de azufre estratosférico a partir de emisiones de dióxido de azufre volcánico tiene un efecto de enfriamiento en la Tierra que dura aproximadamente de 1 a 2 años. [19] Todas estas fuentes actúan para crear una estructura de temperatura donde una capa superior caliente se encuentra sobre una superficie fría, lo que tipifica el efecto antiinvernadero.
Se ha hablado de un débil efecto invernadero en Marte, donde las tormentas llevan polvo a la atmósfera superior. La evidencia de este efecto proviene de las mediciones de la sonda Viking 1 realizadas en 1976-77 cuando, tras una tormenta global, la temperatura media diurna sobre el suelo descendió 5 grados Celsius. [6]
Estudios realizados con simulaciones por computadora han investigado el impacto de las neblinas fotoquímicas en la estructura térmica de los exoplanetas. Aplicando este modelo a los Júpiter calientes, los científicos descubrieron que la inclusión de neblina en HD 189733 b condujo a una expansión de la atmósfera, lo que ayudó a explicar una señal de tránsito pronunciada observada en el espectro electromagnético. Además, el modelo para HD 209458 b predijo tanto la neblina fotoquímica como objetos como las nubes. [7]
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