Observatorio ARVAL

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La Hipótesis del Termostato

Ensayo de Willis Eschenbach, Junio 14 2009
The Thermostat Hypothesis (en Watts Up With That?)

Resumen

La Hipótesis del Termostato es que las nubes tropicales y las tormentas eléctricas activamente regulan la temperatura de la Tierra. Esto mantiene a la Tierra en una temperatura de equilibrio.

Varios tipos de evidencia se presentan para establecer y elucidar la Hipótesis del Termostato - la estabilidad histórica en temperatura de la Tierra, consideraciones teóricas, fotografía de satélites, y una descripción del mecanismo de equilibrio.

Estabilidad Histórica

La estabilidad de la temperatura de la Tierra en el tiempo ha sido un antiguo enigma climatológico. El globo ha mantenido una temperatura de ±~3% (incluyendo edades de hielo) durante al menos los últimos 500.000 años durante los cuales podemos estimar la temperatura. Durante el Holoceno, las temperaturas han variado en menos de ±1%. Y durante las edades de hielo, la temperatura era en general igualmente estable también.

En contraste con la estabilidad de la temperatura de la Tierra, la física Solar ha indicado por tiempo (Gough, 1981; Bahcall et al., 2001) que hace 4.000 millones de años la irradiación total del Sol era cerca de tres cuartos del valor actual. En tiempos geológicos tempranos, sin embargo, la Tierra no estaba correspondientemente más fría. Los 'proxies' de temperatura como las proporciones deuterio/hidrógeno y ¹⁶O/¹⁸O no muestran signos de un calentamiento de la Tierra de 30% durante este tiempo. Por qué no se calentó la Tierra mientras se calentaba el Sol?

Esto se llama la "Paradoja del Sol Primitivo" (Sagan and Mullen, 1972), y es usualmente explicada postulando una atmósfera primitiva mucho más rica en gases de invernadero [GHC] que la atmósfera actual.

Sin embargo, esto implicaría un decrecimiento gradual en el forzamiento de los GHC que igualaría exactamente el aumento incremental durante miles de millones de años en forzamiento Solar hasta el valor actual. Esto parece muy improbable.

Un candidato mucho más probable es algún mecanismo natural que ha regulado la temperatura de la Tierra en el tiempo geológico.

Consideraciones Teóricas

Bejan (Bejan 2005) ha mostrado que el clima puede ser robustamente modelado como una máquina de calor, con el océano y la atmósfera siendo los fluidos funcionales. Los trópicos son el lado caliente de la máquina de calor. Algo de ese calor tropical es radiado de vuelta al espacio. El trabajo es realizado por los fluidos funcionales en el curso del transporte del resto de ese calor tropical a los polos. Allí, en el lado frio de la máquina de calor, el calor es radiado al espacio. Bejan mostró que la existencia y cobertura de área de las Celdas de Hadley es un resultado derivable de la Ley Constructal. También mostró cómo se determinan las temperaturas del sistema de flujo.

"Buscamos esto desde el punto de vista Constructal, esto es que la circulación [global] misma representa una geometría de flujo que es el resultado de la maximización del rendimiento global sometido a restricciones globales."

"La máxima potencia que el sistema compuesto podría producir está asociada con la operación reversible del generador. La potencia de salida en este límite es proporcional a

donde q es el flujo total de energía a través del sistema (de trópicos a polos), y T_H and T_L son las temperaturas altas y bajas (temperaturas tropicales y polares en Kelvins). El sistema trabaja sin cesar para maximizar la potencia de salida.

He aquí una vista de todo el sistema que transporta calor de los trópicos a los polos.

Figura 1. La Tierra como una Máquina de Calor. Las Celdas de Hadley ecuatoriales proveen la energía para el sistema. Sobre los trópicos, el Sol (flechas naranja) es más fuerte porque incide en la Tierra más perpendicularmente. El largo de las flechas naranja muestra la fuerza relativa del Sol. El aire caliente desciende cerca de 30° N y 30° S, formando los grandes cinturones desérticos que rodean el globo. El calor es transportado por una combinación del océano y la atmósfera hacia los polos. En los polos, el calor es radiado al espacio.

En otras palabras, sistemas de flujo como el clima de la Tierra no asumen una temperatura estable por casualidad. Ellos remodelan sus propios flujos en tal manera para maximizar la energía producida y consumida. Es este proceso dinámico, y no una simple transformación lineal de los detalles de la composición gaseosa de la atmósfera, lo que determina el rango general de temperatura de trabajo del planeta.

Note que la Ley Constructal dice que todo sistema de flujo alcanzará una "cuasi-estabilidad" alrededor de (pero sin alcanzar) algún estado ideal. En el caso del clima, este es el estado de máxima producción y consumo de energía. Ver el trabajo de Ou listado abajo para mayor información sobre el proceso.

Mecanismo Gobernador del Clima

Toda máquina de calor tiene un acelerador. El acelerador es la parte de la máquina que controla cuánta energía entra en la máquina de calor. Una motocicleta tiene un acelerador de mano. En un automóvil, el acelerador es llamado el pedal del gas. Controla la energía entrante.

La estabilidad de la temperatura de la Tierra en el tiempo (incluyendo los períodos alternantes glaciales/interglaciares bi-estables), tanto como las consideraciones teóricas, indican que esta máquina de calor que llamamos clima debe tener algún tipo de gobernador controlando el acelerador.

Mientras que toda máquina de calor tiene un acelerador, no todas ellas tienen un gobernador. En un automóvil, un gobernador se llama "Control de Crucero". El Control de Crucero es un gobernador que controla el acelerador (pedal del gas). Un gobernador ajusta la energía entrando en el motor del automóvil para mantener una velocidad constante sin importar los cambios en los forzamientos internos y externos (por ejemplo colinas, vientos, eficiencia del motor y pérdidas).

Podemos reducir los candidatos para este mecanismo gobernador del clima notando primero que un gobernador controla el acelerador (que a su vez controla la energía suplida a una máquina de calor). Segundo, notamos que un gobernador exitoso debe ser capaz de llevar el sistema más allá del resultado deseado (exceso).

(Note que un gobernador, que contiene un lazo de histéresis, es diferente de una realimentación negativa. Una realimentación negativa sólo puede reducir un aumento. No puede mantener un estado estable pese a diferentes forzamientos, cargas variables, y pérdidas variables. Sólo un gobernador puede hacer eso.)

La mayor parte de la absorción de calor del Sol de la Tierra ocurre en los trópicos. Los trópicos, como el resto del mundo, son mayoritariamente océano; y la tierra que está allá es húmeda. Los trópicos vaporosos, en una palabra. Hay poco hielo allá, así que las nubes controlan cuánta energía entra a la máquina de calor climática.

Yo propongo que dos mecanismos relacionados entre sí, pero separados, actúan directamente para regular la temperatura de la Tierra - los cúmulos tropicales y los cumulonimbos. Los cúmulos son las mullidas nubes como "bolas de algodón" que abundan cerca de la superficie en las tardes calurosas. Los cumulonimbos son nubes de tormentas eléctricas, que comienzan sus vidas como simples cúmulos. Ambos tipos de nubes son parte del control del acelerador, reduciendo la entrada de energía. Adicionalmente, los cumulonimbos son máquinas de calor activas que proveen el exceso necesario para actuar como un gobernador en el sistema.

Yo vivo en los profundos, húmedos trópicos, a 9° S, con una vista del Océano Pacífico del Sur desde mis ventanas. Esto es lo que un día típico parece. De hecho, es un típico día de verano en cualquier parte en los Trópicos. El reporte del tiempo es como este:

Claro y calmo al amanecer. Suaves vientos en la mañana, nublándose cerca del mediodía. En la tarde, nubosidad y viento crecientes con un chance de lluvias y rayos al desarrollarse las tormentas. Despejándose cerca o después del ocaso, con una ocasional tormenta eléctrica al oscurecer. Despejándose progresivamente hasta el amanecer.

Este es el más común ciclo diario del tiempo tropical, común como para ser un cliché alrededor del mundo.

Es impulsado por las variaciones noche/día en la intensidad de la energía del Sol. Antes del amanecer, la atmósfera típicamente está calma y clara. Mientras el océano (o la tierra húmeda) se calienta, aumentan la temperatura del aire y la evaporación. El aire caliente y húmedo comienza a elevarse. Pronto el aire húmedo se eleva y enfría condensándose en nubes. Las nubes reflejan la luz Solar. Ese es el primer paso de regulación del clima. La temperatura creciente conduce a nubes. Las nubes cierran el acelerador levemente, reducen la energía entrando al sistema. Comienzan a enfriar las cosas. Esta es la parte de realimentación negativa del sistema de control del clima por nubes.

El Sol tropical es fuerte, y a pesar de la realimentación negativa de los cúmulos, el día continúa calentándose. Mientras más el Sol alcanza el océano, más aire caliente y húmedo se produce, y más cúmulos se forman. Esto, por supuesto, refleja más Sol, el acelerador se cierra algo más. Pero el día continúa calentándose.

El completo desarrollo de los cúmulos monta la escena para la segunda parte de la regulación de temperatura. Esto no es simple realimentación negativa. Es el sistema gobernador del clima. Mientras la temperatura continúa aumentando, mientras la evaporación se eleva, algunos de los mullidos cúmulos se transforman bruscamente. Se extienden rápidamente hacia el cielo, empujando hacia arriba para formar pilares de nubes con miles de metros de altura en un corto tiempo. Estos cúmulos son transformados en cumulonimbos o nubes de tormentas eléctricas. El cuerpo columnar de la tormenta eléctrica actúa como una enorme tubería vertical de calor. La tormenta eléctrica succiona aire caliente y húmedo en la superficie y lo lanza hacia el cielo. En la altura el agua se condensa, transformando el calor latente en calor sensible. El aire es recalentado por esta liberación de calor sensible, y continúa elevándose.

En la cima, el aire es liberado por la nube muy arriba, mucho más alto que la mayor parte del CO2. En esa atmósfera enrarecida, el aire es mucho más libre para irradiar al espacio. Moviéndose dentro del tubo de calor de la tormenta eléctrica, el aire pasa por alto la mayoría de los gases de invernadero y sale cerca del tope de la tropósfera. Durante el transporte a lo alto, no hay interacción radiante o turbulenta entre el aire elevándose y la baja y mediana tropósfera. Dentro de la tormenta eléctrica, el aire elevándose está en un túnel a través de la mayoría de la tropósfera para emerger arriba.

Además de reflejar la luz Solar desde sus superficies superiores como hacen los cúmulos, y transportar calor hacia la tropósfera superior desde donde irradia fácilmente al espacio, las tormentas eléctricas enfrían la superficie en una variedad de otras formas, particularmente sobre el océano.

1. Enfriamiento por evaporación impulsado por el viento. Cuando comienza la tormenta eléctrica, ella crea su propio viento cerca de la base. Este viento auto-generado aumenta la evaporación de varias maneras, particularmente sobre el océano.

a) La evaporación aumenta linealmente con la velocidad del viento. En un típico chubasco la velocidad del viento es de 10 millas por hora (20 nudos), la evaporación es cerca de diez veces mayor que en condiciones de "calma" (tomadas convencionalmente como de 1 m/h).

b) El viento aumenta la evaporación creando rociadas y espuma, y soplando el agua de árboles y hojas. Esto aumenta grandemente el área de la superficie de evaporación, porque el área superficial total de los millones de gotas está evaporando, como también la superficie misma.

c) En menor escala, el área superficial es también incrementada por las olas creadas por el viento (una superficie ondulada tiene una mayor área de evaporación que una superficie plana).

d) Las olas creadas por el viento a su vez aumentan grandemente la turbulencia en la capa de frontera. Esto aumenta la evaporación mezclando aire seco hacia abajo a la superficie y aire húmedo hacia arriba.

e) Mientras las rociadas se calientan rápidamente a la temperatura del aire, que en los trópicos es frecuentemente más cálido que la temperatura del océano, la evaporación también se eleva por arriba de la rata de evaporación de la superficie del océano.

2. Aumento del albedo impulsado por el viento. Las rociadas, la espuma blanca, los ángulos de incidencia cambiantes, y los topes blancos de las olas rompiendo aumentan grandemente el albedo de la superficie del mar. Esto reduce la energía absorbida por el océano.

3. Lluvia fría y viento frío. Mientras el aire húmedo se eleva dentro del tubo de calor de la tormenta eléctrica, el agua se condensa y cae. Puesto que el agua se está originando por la condensación o por las frígidas temperaturas arriba, ella enfría la atmósfera inferior por la que pasa en su caída, y enfría la superficie cuando la alcanza. Además, la lluvia cayendo produce un viento frío. Este viento frío sopla radialmente hacia afuera del centro de la lluvia que cae, enfriando el área circundante.

4. Área reflectante aumentada. Los mullidos cúmulos blancos no son altos, así básicamente sólo reflejan desde sus topes. Por otra parte, el tubo vertical de la tormenta eléctrica refleja la luz del Sol a lo largo de toda su longitud. Esto significa que las tormentas eléctricas sombrean un área del océano en proporción con su cobertura, particularmente al final de la tarde.

5. Modificación de las cantidades de cristales de hielo en las nubes de la alta tropósfera (Linden 2001, Spencer 2007). Estas nubes se forman de las diminutas partículas de hielo que salen de la chimenea de las máquinas de calor de las tormentas eléctricas. Parece que la regulación de estas nubes tiene un gran efecto, pues se piensa que calientan (a través de la absorción de infrarrojo) más de lo que enfrían (a través de la reflexión).

6. Radiación nocturna aumentada. A diferencia de los estratos de larga vida, los cúmulos y cumulonimbos generalmente se desvanecen al enfriarse la noche, llevando a los típicos cielos claros al amanecer. Esto permite grandemente aumentado enfriamiento por irradiación superficial nocturna al espacio.

7. Entrega de aire seco en la superficie. El aire aspirado de la superficie y levantado a la altura es contrarrestado por un flujo descendiente de aire de reemplazo emitido desde la cima de la tormenta eléctrica. Este aire descendiente ha sido despojado de la mayor parte del vapor de agua dentro de la tormenta eléctrica, de manera que está relativamente seco. Mientras más seco el aire, más humedad puede recoger para el próximo viaje hacia el cielo. Esto aumenta el enfriamiento por evaporación de la superficie.

En parte porque ellos utilizan tal variedad de mecanismos de enfriamiento, los cúmulos y las tormentas eléctricas son extremadamente buenos enfriando la superficie de la Tierra. Juntos, ellos forman el mecanismo gobernador de la temperatura tropical.

Pero dónde está ese mecanismo?

El problema con mi experimento mental describiendo un típico día tropical es que él está siempre cambiando. La temperatura sube y baja, las nubes aumentan y disminuyen, el día cambia a la noche, las estaciones vienen y se van. Dónde en todo ese cambio interminable está el mecanismo de gobierno? Si todo está siempre cambiando, qué lo mantiene igual mes a mes y año a año? Si las condiciones son siempre diferentes, qué le impide descarrilarse?

Para ver el gobernador trabajando, necesitamos un punto de vista diferente. Necesitamos un punto de vista sin tiempo. Necesitamos un punto de vista sin estaciones, un punto de vista sin días y noches. Y curiosamente, en este experimento mental llamado "Un Día en los Trópicos", existe tal punto de vista sin tiempo, donde no solamente que no hay día y noche, pero donde siempre es verano.

El punto de vista sin día o noche, el punto de vista desde el que podemos ver el gobernador del clima funcionando, es el punto de vista del Sol. Imagine que está mirando hacia la Tierra desde el Sol. Desde el punto de vista del Sol, no hay día y noche. Todas las partes de la cara visible de la Tierra están siempre bajo la luz del Sol, el Sol nunca ve la noche. Y es siempre verano bajo el Sol.

Si aceptamos la conveniencia de que el Norte está arriba, entonces al mirar la Tierra desde el Sol, la superficie visible de la Tierra se mueve de izquierda a derecha mientras rota el planeta. Así el borde izquierdo de la cara visible está siempre en amanecer, y el borde izquierdo está siempre en anochecer. El mediodía es una línea vertical en el centro. Desde este punto de vista sin tiempo, la mañana está para siempre a la izquierda, y la tarde siempre a la derecha. En breve, cambiando nuestro punto de vista, hemos cambiado las coordenadas de tiempo por coordenadas de espacio. Este cambio hace fácil ver cómo funciona el gobernador.

Los trópicos van de izquierda a derecha a través de la cara circular visible. Vemos que cerca del borde izquierdo de los trópicos, después del amanecer, hay muy pocas nubes. Las nubes aumentan mientras mira más a la derecha. Cerca de la línea del mediodía, ya hay cúmulos. Y mientras miramos de izquierda a derecha a través del lado derecho de la cara visible de la Tierra, hacia la tarde, más y más cúmulos y un creciente número de tormentas eléctricas cubren una gran parte de los trópicos.

Es como si hubiese una sombra gradual sobre los trópicos, con menos sombra a la izquierda, lentamente aumentando a extensa cobertura y tormentas eléctricas a la derecha.

Figura 2. Promedio de un año de imágenes del satélite del tiempo GOES-West tomadas en el mediodía local del satélite. La Zona de Convergencia Intertropical es la banda brillante en el rectángulo amarillo. La hora local en la Tierra es mostrada por líneas negras en la imagen. Los valores se muestran abajo en el gráfico adosado. La línea roja en el gráfico es la anomalía del forzamiento Solar (en watts por metro cuadrado) en el área bordeada en amarillo. La línea negra es el valor del albedo en el área bordeada en amarillo.

El gráfico bajo la imagen de la Tierra muestra el albedo y el forzamiento Solar en el rectángulo amarillo que contiene la Zona de Convergencia Intertropical. Note el agudo incremento en el albedo entre 10:00 y 11:30. Está mirando el mecanismo que impide que la Tierra se recaliente. Él causa un cambio en insolación de -60 W/m2 entre las diez y el mediodía.

Ahora, considere lo que pasa si por alguna razón la superficie de los trópicos está algo fría. El Sol toma más tiempo para calentar la superficie. La evaporación no aumenta hasta más tarde en el día. Las nubes tardan en aparecer. Las primeras tormentas eléctricas se forman más tarde, se forman menos tormentas eléctricas, y si no está lo bastante caliente esas máquinas de calor gigantes para enfriar la superficie no se forman para nada.

Y desde el punto de vista del Sol, todo el sombreado se corre a la derecha, dejando pasar más luz del Sol por más tiempo. La reducción de 60 W/m2 en forzamiento Solar no toma lugar hasta más tarde en el día, aumentando la insolación local.

Cuando la superficie tropical se calienta algo más de lo usual, el sombreado es empujado a la izquierda, y las nubes se forman más temprano. Las tardes cálidas causan la formación de tormentas eléctricas, que enfrían y acondicionan el aire de la superficie. De esta manera, una sombra refrescante auto-ajustable de tormentas eléctricas y nubes mantiene la temperatura de las tardes dentro de un estrecho rango.

Ahora, algunos científicos han afirmado que las nubes tienen una realimentación positiva. Debido a esto, las áreas donde hay más nubes terminarían más calientes que las áreas con menos nubes. Esta realimentación positiva es vista como la razón por la que las nubes y el calor están correlacionados.

Yo y otros tomamos la vista opuesta sobre esa correlación. Yo sostengo que las nubes son causadas por el calor, no que el calor es causado por las nubes.

Afortunadamente, tenemos una forma para determinar si los cambios en la reflectante sombrilla tropical de nubes y tormentas eléctricas son causadas por (y por lo tanto limitan) el aumento de temperatura total, o si un aumento en las nubes está causando el aumento de temperatura total. Esta es mirar el cambio en albedo con el cambio de temperatura. Aquí están dos vistas del albedo tropical, tomadas 6 meses aparte.

Agosto es el mes más cálido en el Hemisferio Norte. Como se indica, el Sol está en el Norte. Note el elevado albedo (áreas de azul claro) en todo el Norte de África, China, y la parte norteña de Sur América y América Central. En contraste, hay bajo albedo en Brasil, África del Sur, e Indonesia/Australia.

Figura 3. Albedo Promedio Mensual. El tiempo los separa en medio año. Agosto es el centro del verano en el Hemisferio Norte. Febrero es el centro del verano en el Hemisferio Sur. Las áreas en azul claro son las más reflectantes (mayor albedo).

En Febrero, al contrario, el Sol está en el Sur. La situación con el albedo está invertida. Brasil, Sur África y Australasia están calientes bajo el Sol. En respuesta al calor, se forman las nubes, y esas áreas ahora tienen un albedo elevado. En contraste, el Norte ahora tiene bajo albedo, con la excepción de los reflectantes Desiertos del Sahara y Rub Al Khali.

Claramente, el albedo de las nubes (de cúmulos y cumulonimbos) sigue al Sol al Norte y al Sur, evitando que la Tierra se recaliente. Esto muestra muy definitivamente que en lugar del calor siendo causado por las nubes, las nubes son causadas por el calor.

Muy separadamente, estas imágenes muestran en forma distinta que el calor causa la formación de nubes. Sabemos que durante el verano, la tierra se calienta más que el océano. Si la temperatura estuviese causando la formación de las nubes, esperaríamos ver un mayor cambio en el albedo sobre la tierra que sobre el océano. Y este es claramente el caso. Vemos en el Pacífico Norte y el Océano Índico que el Sol aumenta el albedo sobre el océano, particularmente donde el océano es poco profundo. Pero los cambios en la tierra son en general mucho mayores que los cambios sobre el océano. De nuevo esto muestra que las nubes se están formando en respuesta a, y están por lo tanto limitando, el aumento del calor.

Cómo Funciona el Gobernador

La producción tropical de cúmulos y tormentas eléctricas es impulsada por la densidad del aire. La densidad del aire es una función de la temperatura (que afecta la densidad directamente) y de la evaporación (el vapor de agua es más liviano que el aire).

Una tormenta eléctrica una máquina de calor autogenerada y autosostenida. Los fluidos de trabajo son el aire cargado de humedad y el agua líquida. Autogenerada significa que cuando está cálido sobre el océano tropical, que es casi todos los días, en cierto nivel de temperatura y humedad, algunos cúmulos mullidos de pronto se encienden. Los topes de las nubes corren hacia arriba, mostrando el progreso en elevación del aire superficial cargado de humedad. En la altura, el aire en elevación sale de la nube, reemplazado por más aire húmedo desde abajo. De pronto, en lugar de una plácida nube, hay una tormenta eléctrica activa.

Autogenerada significa que las tormentas eléctricas surgen espontáneamente en función de la temperatura y la evaporación. Superado el umbral necesario para crear la primera tormenta eléctrica, el número de tormentas eléctricas aumenta rápidamente. Este rápido aumento en tormentas eléctricas limita la cantidad de aumento de temperatura posible.

Autosostenida significa que una vez que una tormenta eléctrica se inicia, no requiere más de la completa temperatura inicial necesaria para comenzarla. Esto es porque el viento autogenerado en la base, más el aire seco cayendo desde arriba, impulsan muy al alza la rata de evaporación. La tormenta eléctrica es impulsada por la densidad del aire. Ella requiere una fuente luz, y aire húmedo. La densidad del aire es determinada por ambas temperatura y contenido de humedad (porque curiosamente, el vapor de agua con un peso molecular de 18 es sólo un poco más pesado que la mitad del aire, que tiene un peso de cerca de 29)

La evaporación no es sólo una función de la temperatura. Es gobernada por una compleja mezcla de velocidad del viento, temperatura del agua, y presión de vapor. La evaporación es calculada con lo que se llama una "fórmula empírica", que es una fórmula basada en experiencia en lugar de teoría. Una fórmula comúnmente utilizada es:

E = VK(es - ea)

donde E = evaporación
V= velocidad del viento (función de la diferencia de temperatura)
K = coeficiente constante
es = presión de vapor en la superficie de evaporación (función de la temperatura del agua en grados K a la cuarta potencia)
ea = presión de vapor del aire suprayacente (función de la humedad relativa y la temperatura del aire en grados K a la cuarta potencia)

La cosa crítica para notar en la fórmula es que la evaporación varía linealmente con la velocidad del viento. Esto significa que la evaporación cerca de una tormenta eléctrica puede ser un orden de magnitud mayor que la evaporación a una corta distancia de ella.

En adición a los cambios en evaporación, hay al menos un otro mecanismo aumentando la formación de nubes al aumentar el viento. Este es la producción impulsada por el viento de cristales de sal llevados por el aire. La ruptura de las olas impulsadas por el viento produce estos cristales de sal microscópicos. La conexión con las nubes es que estos cristales son los principales núcleos de condensación para las nubes que se forman sobre el océano. La producción de núcleos de condensación adicionales, acoplada con la evaporación en aumento, lleva a mayores y más rápidos cambios en la producción de nubes con el aumento de temperatura.

De manera que la evaporación impulsada por el viento significa que para la misma densidad del aire, la temperatura superficial puede ser inferior a la temperatura requerida para iniciar la tormenta eléctrica. Esto significa que la tormenta eléctrica todavía sobrevivirá y continuará enfriando la superficie bien por debajo de la temperatura de inicio.

Esta habilidad para llevar la temperatura más abajo que el punto de partida es lo que distingue a un gobernador de una realimentación negativa. Una tormenta eléctrica puede hacer más que sólo reducir la cantidad de calentamiento superficial. Puede realmente enfriar mecánicamente la superficie más abajo que la temperatura de inicio. Esto le permite activamente mantener una temperatura fija en la región circundante a la tormenta eléctrica.

Una característica principal de este método de control (que cambia los nivelas de entrada de energía, hace trabajo, e incrementa la pérdida de calor para limitar el crecimiento de la temperatura) es que la temperatura de equilibrio no está gobernada por los cambios en la cantidad de pérdida en el forzamiento del sistema. La temperatura de equilibrio es fijada por la respuesta del viento, el agua y las nubes al incremento de la temperatura, no por su eficiencia inherente o por las entradas al sistema.

Adicionalmente, la temperatura de equilibrio no está muy afectada por los cambios en la fuerza de la irradiación Solar. Si el Sol se debilita, la evaporación decrece, lo que disminuye las nubes, aumentando el Sol disponible. Esta es la respuesta probable a la antigua pregunta sobre cómo la temperatura de la Tierra ha permanecido estable durante el tiempo geológico, durante el cual la fuerza del Sol se ha incrementado marcadamente.

Variación Gradual del Equilibrio y Deriva

Si la Hipótesis del Termostato es correcta y la Tierra si tiene una temperatura de equilibrio activamente mantenida, qué causa las lentas derivas y otros cambios en la temperatura de equilibrio vistas en el tiempo histórico y geológico?

Como muestra Bejan, un determinante de la temperatura de trabajo es qué tan eficiente es toda la máquina de calor global moviendo los terawatts de energía de los trópicos a los polos. En una escala de tiempo geológico, la localización, orientación, y elevación de las masas continentales de tierra es obviamente un enorme determinante en este respecto. Eso es lo que hace a la Antártica diferente del Ártico hoy. La falta de una masa de tierra en el Ártico significa que el agua cálida circula bajo el hielo. En la Antártica el frio llega al hueso ...

Adicionalmente, la geografía oceánica que da forma a las corrientes que llevan el agua tropical cálida a los polos y retornan agua fría (eventualmente) a los trópicos es también un determinante muy grande de la temperatura de trabajo de la máquina de calor global del clima.

En un plazo más corto, podría haber lentos cambios en el albedo. El albedo es una función de la velocidad del viento, la evaporación, la dinámica de las nubes, y (en menor grado) la nieve y el hielo. Las ratas de evaporación son fijadas por las leyes de la termodinámica, que dejan sólo a la velocidad del viento, la dinámica de las nubes, y el hielo y el agua afectar el equilibrio.

La variación en la temperatura de equilibrio podría, por ejemplo, ser el resultado de un cambio en la velocidad mundial promedio del viento. La velocidad del viento está acoplada con el océano a través de la acción de las olas, y ocurren variaciones a largo plazo en el momento acoplado del océano y la atmósfera. Esos cambios en la velocidad del viento podrían variar la temperatura de equilibrio en forma cíclica.

O podría estar relacionado con un cambio general en color, tipo, o extensión de las nubes o de la nieve y el hielo. El albedo depende del color de la substancia reflectante. Si las reflexiones son cambiadas por cualquier razón, la temperatura de equilibrio podría ser afectada. Para la nieve y el hielo, esto podría ser, por ejemplo, derretimiento incrementado debido a deposición de carbón negro en la superficie. Para las nubes, esto podría ser un cambio de color debido a aerosoles o polvo.

Finalmente, las variaciones de equilibrio podrían relacionarse con el Sol. La variación en el número de partículas magnéticas y cargadas podría ser suficientemente grande como para hacer una diferencia. Hay fuertes sugerencias de que la cobertura de nubes está influenciada por el ciclo Solar magnético de Hale de 22 años, y este récord de 14 años sólo cubre parte de sólo un ciclo de Hale.

Conclusiones y Reflexiones

1. El Sol produce más que suficiente energía para asar totalmente la Tierra. Se lo impiden las nubes reflejando cerca de un tercio de la energía Solar de vuelta al espacio. Hasta donde podemos decir, este sistema de formación de nubes para limitar los aumentos de temperatura nunca ha fallado.

2. Este escudo reflectante de nubes se forma en los trópicos en respuesta al aumento de temperatura.

3. Mientras las temperaturas tropicales continúan elevándose, el escudo reflectante es asistido por la formación de máquinas de calor independientes llamadas tormentas eléctricas. Estas enfrían la superficie en multitud de maneras, mueven el calor a la altura, y convierten calor en trabajo.

4. Igual que los cúmulos, las tormentas eléctricas también se forman en respuesta al aumento de la temperatura.

5. Porque son impulsadas por la temperatura, mientras se elevan las temperaturas tropicales, la producción de tormentas eléctricas y cúmulos tropicales aumenta. Estas se combinan para regular y limitar el alza de temperatura. Cuando las temperaturas tropicales son frías, los cielos tropicales se despejan y la Tierra rápidamente se calienta. Pero cuando los trópicos se calientan, los cúmulos y cumulonimbos ponen un límite al calentamiento. Este sistema mantiene a la Tierra dentro de una banda de temperaturas bastante estrecha.

6. El sistema regulador de temperatura de la Tierra está basado en la física invariable del viento, el agua, y las nubes.

7. Esta es una explicación razonable de cómo la temperatura de la Tierra ha permanecido tan estable (o más recientemente, bi-estable como glacial e interglaciar) por cientos de millones de años.

Lectura Adicional

Bejan, A, y Reis, A. H., 2005, Thermodynamic optimization of global circulation and climate, Int. J. Energy Res.; 29:303-316. Disponible en http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/er.1058/abstract

Richard S. Lindzen, Ming-Dah Chou, y A. Y. Hou, 2001, Does the Earth Have an Adaptive Infrared Iris?, doi: 10.1175/1520-0477(2001)082<0417:DTEHAA>2.3.CO;2
Bulletin of the American Meteorological Society: Vol. 82, No. 3, pp. 417-432.
Disponible en http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0477%282001%29082%3C0417%3ADTEHAA%3E2.3.CO%3B2

Ou, Hsien-Wang, Possible Bounds on the Earth's Surface Temperature: From the Perspective of a Conceptual Global-Mean Model, Journal of Climate, Vol. 14, 1 July 2001. Disponible en http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0442%282001%29014%3C2976%3APBOTES%3E2.0.CO%3B2

El "albedo" de un objeto es un número entre 0,0 y 1,0 que mide la fracción de la radiación solar que es reflejada desde la superficie del objeto. A menudo se da como una fracción, aunque yo lo prefiero como un porcentaje. El albedo de la Tierra es de 0,29, significando que el 29% de la luz solar se refleja de vuelta hacia el espacio.

Nota de ARVAL:
Las imágenes globales de los satélites meteorológicos en longitudes de onda visibles, infrarrojas, y de vapor de agua muestran la cobertura de nubes de la Tierra y la actividad de las tormentas. Las imágenes tomadas al mediodía del satélite (17:00 UT para el GOES East, en Long. 75° W, y 21:00 UT para el GOES West, en Long. 135° W) muestran la vista al mediodía desde el Sol, con el amanecer a la izquierda de la imagen y el ocaso a la derecha.

Ver NRL Monterey Global Imagery (GOES 11/13, METEO 7/9, MTSAT2).

Ver también Emergent Climate Phenomena (Willis Eschenbach, February 7, 2013, Watts Up With That?)

Ver también Air Conditioning Nairobi, Refrigerating The Planet (Willis Eschenbach, March 11, 2013, Watts Up With That?)

Ver también The Magnificent Climate Heat Engine (Willis Eschenbach, December 21, 2013, Watts Up With That?)

Ver también The Thermostatic Throttle (Willis Eschenbach, December 28, 2013, Watts Up With That?)

Ver también Albedic Meanderings (Willis Eschenbach, June 3, 2015, Watts Up With That?)

Ver también An Inherently Stable System (Willis Eschenbach, June 4, 2015, Watts Up With That?)

Ver también The Daily Albedo Cycle (Willis Eschenbach, June 8, 2015, Watts Up With That?)

Ver también TAO Buoys Go Hot And Cold (Willis Eschenbach, June 16, 2015, Watts Up With That?)

Ver también Cooling and Warming, Clouds and Thunderstorms (Willis Eschenbach, August 18, 2015, Watts Up With That?)

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English: The Thermostat Hypothesis

Regreso: Observatorio ARVAL - Conferencias