1-13: Impacto de las nubes en el balance de radiación

En las clases previas se analizo la radiación infrarroja (longitud de onda larga) y su importancia en el balance global de energía. Sin embargo, no se considero esta radiación desde un punto de vista cuantitativo. En esta clase se analiza matemáticamente este tipo de radiación, incluyendo los principios que permiten su registro por medio de satélites.

La cantidad de energía radiada por un cuerpo cualquiera (como la tierra o una nube) por unidad de área y tiempo puede ser calculada por la ecuación de Stefan-Boltzmann (consultar imagen). La emisividad es una propiedad del cuerpo irradiante y su valor absoluto es cercano a 1. La constante de Stefan-Boltzmann tiene un valor de 5.6696 x 10-8 Wm-2deg-4. En la formula antes mencionada, la temperatura efectiva de radiación puede ser expresada en la escala Kelvin (0 K es el cero absoluto y 273K = 0 oC) . Dado que la temperatura esta elevada a la cuarta potencia, cualquier cambio pequeño de la misma implica una modificación de la energía irradiada.

Radiación de la Tierra (Radiación Infrarroja)

Como recordara de las clases de Estructura Atmosférica y Circulación, la temperatura de la atmósfera decrece con la altura. Las nubes presentan temperaturas similares al del aire circundante y es de esperar que las nubes altas registren temperatura menores que las nubes bajas. Por lo expuesto anteriormente, las nubes altas emiten menor radiación infrarroja en comparación a las bajas, y estas ultimas emiten menos radiación infrarroja que la superficie de la tierra. A pesar de que todas las nubes (en cierta forma) son uniformes en la reflexión de la radiación visible desde sus partes altas, difieren significativamente en la cantidad de radiación infrarroja emitida hacia arriba.

En la discusión de la ultima clase se considero los aspectos de reflexión de la radiación solar en la atmósfera por partículas (polvo, hollín, materiales volcánicos) . Debido a este efecto, las actividades volcánicas pueden causar, temporalmente, enfriamientos globales. En la siguiente imagen (actualmente no disponible) se registra el enfriamiento provocado por tres volcanes recientes: Agung en los anos 60, El Chichon en Mexico a mediados de los 80, y el Mt. Pinatubo en las Filipinas en 1991. En cada caso, la temperatura descendió inmediatamente y gradualmente se recupero en periodos cercanos a los tres anos. Los modelos de Cambio Global han sido utilizados para estimar los efectos de estos volcanes a partir de la cuantificacion del volumen de partículas emitidas hacia la atmósfera. Estos cálculos han resultado bastantes precisos en la estimación de los efectos sobre el Cambio Global.

La fotografía anexa, producida por el Experimento de Balance de la Radiación de la Tierra (Earth Radiation Budget Experiment, ERBE) del programa de la Administración Nacional de Océanos y Atmósfera (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) (Harrison et al, 1988), presenta un mapa de la radiación de onda larga emitida (Wm-2) en el mes de abril de 1985, bajo condiciones de cielo despejado. Las regiones coloreadas de rojo y púrpura indican aquellas zonas donde se emite la mayor cantidad de radiación infrarroja (IR) de la tierra. Los colores verdes y azules indican bajos valores de IR. A partir de la ecuación de Stefan-Boltzmann, podemos establecer que las regiones de radiación coloreadas de rojo y púrpura son mas cálidas que aquellas señaladas con verde y azul. Como es de esperar, las regiones tropicales y subtropicales muestran las mayores radiaciones emitidas (y temperatura) y las regiones polares los valores mas bajos. Sin embargo, un análisis mas cuidadoso, demuestra que las áreas de las regiones tropicales tienen temperaturas mas bajas que las subtropicales adyacentes, tanto al norte como al sur. Como puede explicar esto?

Valores medios de emitancia con cielo despejado (clear-sky longwave radiation exitance, LWRE) durante el Experimento de Balance de Radiación de la Tierra (Earth Radiation Budget Experiment, ERBE) en abril de 1985.

La siguiente fotografía, también tomada de Harrison et al, 1988, registra la variación diaria, esto es el cambio del día a la noche en la cantidad de energía irradiada (Wm-2 ) con cielo despejado (abril de 1985). Observe que el rango de valores es mucho menor que en la fotografía previa. Las zonas desérticas en áreas subtropicales son las regiones que presentan las mayores variaciones diarias. En condiciones de escasa nubosidad y baja humedad (muy poco vapor de agua para producir efecto invernadero) en la atmósfera, estas regiones irradian al espacio exterior directamente desde sus superficies, con un rango de temperatura por encima de los 600C (333K) durante el día y aproximadamente 100C (283 K) durante la noche. Usted puede utilizar estos valores en la ecuación de Stefan-Boltzmann para calcular la diferencia en la radiación emitida por estas regiones, y comparar sus resultados con los valores de 60 Wm-2 brindados en la fotografía. Observe que la mayoría de las regiones oceánicas registran muy pocos cambios en la radiación emitida (y por lo tanto de temperatura) del día a la noche.

Variación diaria con cielo despejado de LWRE para abril de 1985.

Ahora, si consideramos el efecto de las nubes, tenemos una situación completamente diferente. La siguiente fotografía (Harrison et al, 1988) muestra la radiación promedio emitida del mes de abril de 1985, incluyendo el efecto de las nubes, . Si usted compara con la fotografía en condiciones de cielo despejado, puede observar que las regiones tropicales presentan una menor radiación de onda larga emitida. De hecho, algunas áreas ecuatoriales de Indonesia, Sudamérica y Africa registran temperaturas comparables a las regiones polares. A que atribuye esto? Una revisión de la estructura térmica de la atmósfera y de las observaciones del patrón de nubosidad de las fotografías satelitales incluidas en la tercera clase, le permitirán contestar esta pregunta. El considerable calentamiento en las regiones tropicales da lugar a una marcada convección que origina nubes con un gran desarrollo vertical, las partes superiores de las mismas se encuentran muy alto y por lo tanto son muy frías.

Medias mensuales de LWRE durante el ERBE de abril de 1985.

En la cuarta fotografía (Harrison te al, 1988) se observa la variación diaria para todos los días, incluyendo el efecto de la nubosidad. El efecto de las nubes reduce la variación diaria, a modo de ejemplo en las cercanías del desierto del Sahara en Africa del Norte que presenta grandes variaciones diarias, esta se reduce cuando las nubosidad esta presente. Las nubes condicionan temperaturas mas bajas durante el día y mas altas durante la noche, reduciendo el rango de variación mediante estos dos mecanismos.

Rango diario del LWRE a partir del ERBE de abril de 1985.

Es evidente que las nubes ocasionan una gran variabilidad temporal de la cantidad de energía irradiada de la tierra al espacio exterior. Es importante recordar que estas fotografías son promedios de varios días, si se considera un solo día en particular podría observarse una mayor variabilidad tanto espacial como temporal.

La siguiente imagen presenta una integración de 310 días de radiación larga emitida para 10 de eneros (Bess et al, 1989). Hay un hecho interesante de destacar en este mapa, mientras que los mínimos de radiación de onda larga emitida están confinados a los bordes continentales en Sudamérica y Africa, en Indonesia abarca una zona mayor e incluye una amplia zona oceánica. Esta región particular donde se incrementa la nubosidad profunda o de gran altura será analizada posteriormente cuando se considere los efectos de la Oscilación del Sur y el Niño.

Mapa de la variación geográfica de la radiación de onda larga (OLR) para 10 eneros.

Un mapa similar (Bess et al, 1989) compuesto de 10 julios presenta un cambio general y estacional con dirección norte, reflejando las condiciones de verano en el Hemisferio Norte y las de invierno en el Hemisferio Sur, y la marcada reducción de los patrones de nubosidad en Sudamérica y Africa. El patrón Indonesio se desplaza en dirección norte y oeste acompasando el fenómeno de los Monsones en la India. El patrón de Sudamérica esta incorporado en lo que denominamos Monson Mexicano. Las regiones de mayor radiación son nuevamente las zonas tropicales de alta presión, las cuales ahora se han desplazado hacia el norte con el cambio de estación en Africa del Norte, Mediterráneo y Medio Oriente.

Mapa de la variación geográfica de la radiación de onda larga (OLR) para 10 julios.

La fotografía final presenta la desviación estándar del cambio de radiación de onda larga para 10 veranos (junio, julio and agosto) y diez inviernos (diciembre, enero y febrero). Esta fotografía indica que las regiones de mayor variabilidad de un invierno (o verano) al siguiente. En junio, julio y agosto no se registran grandes cambios de un ano al siguiente, por el contrario es bastante constante. Por otro lado, en el invierno del Hemisferio Norte, la región a lo largo del Ecuador presenta una alta variabilidad, pudiendo ser extremadamente cálido un ano y extremadamente frío al siguiente. Evidentemente, un fenómeno particular ocurre en esta región, el cual será considerado con mayor detalle cuando se analice El Niño.

Mapa con la desviación estándar del cambio interanual de OLR para 10 veranos (junio, julio, agosto) e inviernos (diciembre, enero y febrero).

Uno de los aspectos mas importantes para resaltar del patrón de radiación de onda larga, es el rol de la nubosidad en la variabilidad del tiempo y del clima. Desafortunadamente es difícil describir matemáticamente las nubes en los modelos del clima y del tiempo atmosférico. Por esta razón, los progresos en las predicciones del tiempo y en las simulaciones climáticas están limitadas por nuestra habilidad de caracterizar la ocurrencia y el efecto de las nubes. Yo no lo puedo ayudar, pero puede recordar una de mis viejas canciones favoritas de Judy Collins (Both Sides Now), que en una de sus parte dice: "Yo he visto las dos caras de las nubes, desde arriba y abajo, son en cierta forma ilusiones, y todavía no comprendo que son realmente las nubes".

Parte de la cancion"Both Sides Now" de Judy Collins.

Referencias

Bess, T. Dale, Louis Smith, and Thomas P. Charlock, 1989: A ten-year monthly data set of outgoing longwave radiation from Nimbus-6 and Nimbus-7 satellites. Bull. Amer. Meteor. Soc. 70, 480-489.

Transcrito por Theresa M. Nichols