Cuál es tu temperatura favorita? Cuán brillante es el Sol? Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-1

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1 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-1 CA3 Actividades Cuál es tu temperatura favorita? Si alguien te preguntase a qué temperatura te gustaría vivir, seguramente elegirías una temperatura entre los 273 y 308 K (0 a 35 C), que son las temperaturas normales que experimentamos sobre la superficie terrestre y en las cuales sabemos que podemos sobrevivir. Pero, No lo has escuchado? Es posible que nos estemos calentando más. Cómo puede ser esto? Qué factores controlan la temperatura de la Tierra? Más tarde contestaremos cuáles son los factores que pueden estar causando los cambios. Por ahora, concentrémonos en la fuente primordial de calor de la Tierra, nuestro Sol. Cuán brillante es el Sol? Para comprender el fundamento de nuestro clima en la Tierra, es importante conocer cómo la luz del Sol interactúa con la atmósfera. Si la energía solar expresada en watts por unidad de área, por intervalo de longitud de onda se grafica en función de la longitud de onda, tal como en la Figura CA3.1, podemos observar que la radiación en algunas regiones del espectro solar es mucho más intensa que en otras. A1 Usa la Figura CA3.1 para encontrar el flujo total de energía que recibe la Tierra por metro cuadrado en el tope de la atmósfera. Esto se puede realizar midiendo o calculando el área total debajo de la curva. Utiliza cuadrados de papel milimetrado. A2 Haz lo mismo para las tres regiones del espectro en las que estamos más interesados cuando discutimos la radiación del Sol que nos alcanza. Las longitudes de onda aproximadas de estas regiones son las: Ultravioleta (UV) Infrarroja (IR) nm mm Sin embargo, las longitudes de onda de la región infrarroja, de especial interés para nosotros, están entre los 700 y 1600 nm. Figura CA3.1 El espectro solar tal como se ve en el tope de la atmósfera. 13

2 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-2 CA3 Actividades Cuál es tu temperatura favorita? Espectro Total nm Infrarroja nm nm Ultravioleta nm Flujo de energía Tabla CA3.1 Tabla para los valores obtenidos debajo de la curva para el espectro solar en el tope de la atmósfera terrestre. Pregunta 1 En qué región del espectro solar (ultravioleta, visible o infrarrojo) es mayor el flujo de energía al tope de la atmósfera terrestre? A3 El espectro solar tal como se mide a nivel del mar se muestra en la Figura CA3.2. Figura CA3.2 El espectro solar en la superficie terrestre. 14

3 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-3 2 CA3 Actividades Cuál es tu temperatura favorita? Preguntas 2. Usa la Figura CA3.2 para encontrar el flujo total de energía que recibe un metro cuadrado de la superficie terrestre. 3. Haz lo mismo para las regiones de UV ( nm), visible ( nm) e IR ( nm) y completa la Tabla CA En qué difiere este espectro del espectro solar en el tope la atmósfera terrestre? 5. En qué bandas del espectro solar se registran los mayores cambios? 6. Qué pasa con la radiación solar después de atravesar la atmósfera? 7. De la radiación visible, infrarroja y ultravioleta que llega del sol, cuál es la más intensa en la superficie terrestre? 8. Cómo piensas que esto cambiaría si estuvieses sobre la superficie de la Luna? 9. Esperarías que la Luna sea más caliente o más fría que la Tierra durante el día? Explica tus razones. Espectro total nm Infrarrojo nm nm Ultra- violeta Flujo de energía Tabla CA3.2 Tabla para el cálculo del espectro solar de las áreas debajo de la curva, tal como se ve desde la superficie terrestre. 15

4 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-4 2 Contenido Los estudiantes utilizan los datos del espectro solar para calcular el flujo total de energía proveniente del Sol y recibido por el tope de la atmósfera y a nivel del suelo. También comparan cuáles son las regiones del espectro que nos interesan más a nivel del suelo. Objetivos Al completar esta actividad, los estudiantes deben ser capaces de: cuantificar la interacción de la radiación electromagnética del Sol con la atmósfera de la Tierra hacer uso del espectro para encontrar la intensidad de energía de las distintas bandas. Conocimientos necesarios Al igual que la actividad CA2, esta lección supone que los estudiantes han terminado los cursos de física y de química para principiantes (antes de los 16 años). Los estudiantes deben saber que la luz está compuesta por ondas de diferentes longitud y frecuencia y que las diferentes longitudes de onda de la luz todas juntas conforman partes del espectro electromagnético. Los estudiantes deben estar familiarizados con la reflexión y la refracción de la luz. Puede ser beneficioso para algunos estudiantes aprender (o repasar) los métodos para el cálculo de áreas debajo de curvas, antes de comenzar la actividad. Materiales hojas de actividades CA3 calculadora papel de calcar papel milimetrado Notas sobre la actividad Hay varias formas de realizar esta actividad. Como introducción se puede preguntar a la clase: " Qué les gusta más, el calor o el frío?" Luego, se puede dirigir a la clase hacia una discusión sobre qué controla la temperatura en el exterior. Un ejemplo podría ser el siguiente: Podríamos imaginar un lugar donde las noches sean lo suficientemente frías como para congelar el CO 2 y convertirlo en hielo seco o los días lo suficientemente calurosos como para producir ampollas en la piel humana en pocos minutos. Esto es lo que ocurriría en la Luna que no tiene atmósfera. Por lo tanto, la atmósfera de la Tierra no sólo nos proporciona el aire que respiramos y que protege nuestros cuerpos de la radiación dañina del Sol, sino que mantiene la temperatura ambiente dentro de los límites necesarios para la vida y las actividades humanas. 16

5 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-5 2 Para comprender cuán afortunados somos, observen la temperatura en la superficie de otros planetas y compárenla con la de la Tierra. Tabla CA3.3 Algunos datos sobre los planetas interiores. Planeta Temperatura promedio en la superficie Proporción de luz solar reflejada Tierra + 15 C 33% Marte - 45 C 17% Venus C 71% Qué piensas que nos hace tan afortunados? La interacción de la atmósfera terrestre con la energía solar es lo que nos ha brindado nuestro hospitalario clima. La lección explora el primer paso de esta interacción. Pero vale la pena señalar que la temperatura de la Tierra ha permanecido estable por más de 3 mil millones de años. Todos los cuerpos emiten radiaciones, dependiendo su naturaleza y su intensidad de temperatura, del estado físico del cuerpo. Estas radiaciones surgen de varios tipos de movimientos electrones, átomos (o núcleos) o moleculares dentro de la materia. A medida que se eleva la temperatura de una materia, la radiación emitida puede ser invisible en la oscuridad, porque corresponde a la banda infrarroja, no emite radiación visible. Como resultado de un nuevo aumento en la temperatura, hay un incremento simultáneo en la tasa a la que la energía es irradiada, y también las longitudes de onda emitidas se extienden a valores menores, del infrarrojo al rojo, pasando al visible, luego al naranja, amarillo y así sucesivamente. Eventualmente, cuando las temperaturas se aproximan a los 3000 K (2700 C) la sustancia que se ha calentado aparece casi blanca, lo que indica que se están produciendo casi todos los colores del espectro visible, como así también la radiación infrarroja (calor) y la ultravioleta. Usando la teoría del quantum, es posible calcular el flujo de energía radiada por un cuerpo a una temperatura dada en determinado rango de longitud de onda. Los resultados se dan en la Tabla CA 3.1 para un caso ideal, el caso de un cuerpo negro que tiene la capacidad de absorber el 100% de la radiación electromagnética que cae sobre él. Este cuerpo ideal absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, no refleja nada, y la vuelve a emitir en su totalidad con un espectro que depende únicamente de la temperatura. Tanto la Tierra como el Sol emiten radiación en forma similar a un cuerpo negro con temperaturas de 300 K a 6000 K. La Figura CA3.3 muestra la distribución de las energías irradiadas por cuerpos negros a 300 K y 6000 K. 17

6 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-6 Figura CA3.3 Distribución de la energía irradiada por cuerpos negros con una temperatura de K y 300 K, que son las temperaturas aproximadas del Sol y de la Tierra. Para mayor conveniencia, las longitudes de onda se dan en micrómetros, µm (8µm = 8 X 10-6 m = nm). La mayor parte de la enorme cantidad de energía generada por la fusión del hidrógeno que se convierte en helio, escapa del Sol como radiación electromagnética. Es posible encontrar el flujo de energía de la radiación solar (W m -2 ) usando la Figura CA3.1. Algunos estudiantes pueden no saber cómo medir el área bajo una curva y necesitarán ayuda. Una parte muy pequeña de esta energía se absorbe en la atmósfera solar hasta que la radiación entra en nuestra atmósfera. Recorre muchos millones de kilómetros en el espacio sin pérdida. Puesto que esta lección se centra en la troposfera, o en los 15 kilómetros, en promedio, inferiores de la atmósfera de la Tierra, nos ocuparemos solamente de la radiación que penetra en esa capa, la radiación ultravioleta, visible e infrarroja, principalmente. Respuestas La Tabla CA3.1 debe completarse así (con alrededor de un 10% de exactitud): Espectro total nm Infrarrojo nm nm Ultra-violeta Flujo de energía

7 Educación en el cambio global Cambios en la atmósfera - Sección CA3-7 La Tabla CA3.2 debe completarse así (hasta alrededor del 10% de exactitud): Espectro total nm Infrarrojo nm nm Ultra-violeta Flujo de energía e infrarroja más o menos igual: 2/3 Los valores están dados en la tabla de más arriba (dejar margen para un 10% de variación de los valores). 4/5 Están reducidos en general con la mayor absorción en la región infrarroja. 6 Presumiblemente es absorbida por los gases de la atmósfera. 7 La región visible. 8 Puesto que la Luna no tiene atmósfera, la superficie de la Luna contemplaría un espectro solar sin cambios. 9 La superficie de la Luna estará más caliente que la de la Tierra durante el día porque toda la radiación del Sol llega a la superficie de la Luna. 19

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