El equilibrio térmico
¿Alguna vez te has preguntado por qué hace calor un asfalto en un día soleado? Ese asfalto, como una esponja con agua, absorbe energía solar. Pero no puede retener esta energía solar por mucho tiempo y, por lo tanto, la irradia. Como el asfalto de la Tierra, si un cuerpo celeste absorbe la energía solar más rápido de lo que puede deshacerse de ella, se calienta más. A medida que se calienta, aumenta la velocidad a la que irradia energía.
Si el cuerpo celeste irradia energía más rápido de lo que puede absorberla, obviamente se enfría. A medida que se enfría, la velocidad a la que irradia energía disminuye. No hay nada demasiado difícil de entender aquí. Pero hay una cosa clave. A medida que un objeto se calienta más y más, su temperatura finalmente dejará de aumentar porque en cierto punto se calienta lo suficiente como para emitir energía a la misma velocidad a la que la absorbe.
A medida que un objeto se enfría cada vez más, irradia más energía de la que absorbe. Eventualmente se enfriará lo suficiente, de modo que la velocidad a la que irradia energía cae a la misma velocidad a la que absorbe la energía solar. En cualquier caso, ambas situaciones son una especie de equilibrio térmico , un escenario donde la temperatura de un cuerpo se mantiene constante ya que la tasa a la que emite y absorbe energía es la misma.
Sin embargo, los cuerpos del sistema solar que tienen fuentes internas de calor estarán más calientes de lo que podríamos predecir si hubieran sido calentados solo por la luz solar. Sin embargo, la temperatura de un cuerpo que también es calentado por fuentes internas es aquella en la que la velocidad a la que la energía que se irradia es igual a la energía que proviene de fuentes internas más la que se absorbe de la energía solar.
La constante solar
Aparte del sol mismo, podemos estimar las temperaturas de los cuerpos celestes en nuestro sistema solar fingiendo que son cuerpos negros que están en equilibrio térmico. Un cuerpo negro es un objeto hipotético e idealizado, uno que absorbe perfectamente todas las longitudes de onda de radiación que caen sobre él.
¿Qué es un Ciclo Solar?
De esta manera, la temperatura de un objeto celeste de este tipo solo dependerá de la distancia a la que se encuentre del sol. Puedes imaginar que nuestro sol es solo una lámpara de calor descomunal. A medida que se aleja de una lámpara de calor, sabe que va a hacer más frío. Pero esta relación no es lineal. Es decir, solo porque estás dos veces más lejos del sol, eso no significa que haga el doble de frío.
Para entender por qué, necesitamos definir la constante solar , que es la cantidad de energía solar que llega a un metro cuadrado justo por encima de la atmósfera terrestre cada segundo. La constante solar es igual a aproximadamente 1360 vatios por metro cuadrado (1360 julios por segundo por metro cuadrado).
A distancias más lejanas o cercanas al sol que a la Tierra, el brillo de la radiación solar cambia en una cantidad igual a la constante solar dividida por el cuadrado de la distancia al sol en unidades astronómicas. Todo este material que suena complicado realmente se reduce a lo que ya sabes. La velocidad a la que un cuerpo del sistema solar puede absorber el calor que da la luz solar disminuye al aumentar la distancia del sol porque el brillo de la luz solar disminuye al aumentar la distancia del sol.
Esto significa que un planeta como Mercurio, mucho más cercano al sol que Urano, está recibiendo mucha luz solar realmente brillante. En consecuencia, absorbe energía solar a un ritmo mucho mayor que Urano. A su vez, esto nos dice que hay que equilibrar esta tasa de absorción con una tasa de emisión de radiación mucho mayor. Según la primera sección, sabe que un cuerpo celeste solo puede emitir radiación a una tasa tan alta si tiene una temperatura alta.
¿Qué es Albedo?
Debido a que cada cuerpo del sistema solar no es un verdadero cuerpo negro, no emite ni absorbe radiación con perfecta eficiencia. Esto significa que al calcular la temperatura esperada de un planeta debemos tener en cuenta el albedo.
¿Cómo llega la Radiación Solar a la Tierra?
Albedo es la fracción de luz que refleja un cuerpo. Entonces, para un objeto perfectamente blanco, el albedo es 1 y para un objeto o superficie perfectamente negra, el albedo es 0. La nieve y el hielo estarán más cerca de 1 ya que reflejan mucha luz solar y un asfalto estará más cerca de 0 ya que refleja mucha menos luz solar.
Del mismo modo, cada planeta tiene un albedo diferente que contribuye a su verdadera temperatura. Mercurio tiene un albedo de casi 0,07. Esto significa que absorbe el 93% de la luz que lo golpea, mientras que Venus tiene un albedo de 0,90, lo que significa que es mucho más reflectante que Mercurio.
Un cuerpo con un albedo más alto absorberá menos luz solar que un cuerpo con un albedo más bajo. Esto significa que, basándose únicamente en esto, un objeto celeste con un albedo más alto será más frío que uno con un albedo más bajo a una distancia determinada del sol. Es como cuando estás más fresco cuando usas una camiseta blanca en un día soleado que si usaras una negra.
Entonces, ¿por qué, al mirar la mesa en su pantalla, la temperatura real de Venus es mucho más alta que la de Mercurio? Aquí es donde unimos todo de esta lección. Podemos calcular la temperatura esperada de un cuerpo del sistema solar basándonos en su distancia del sol y el albedo todo lo que queramos, pero no debemos olvidar que en realidad, las fuentes de energía internas y la composición planetaria contribuyen a la temperatura de un planeta.
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Venus y la Tierra tendrán temperaturas reales más altas porque no pueden irradiar energía muy bien debido a sus atmósferas más gruesas, elevando sus temperaturas reales por encima de las esperadas para una distancia y albedo determinados. Planetas como Júpiter, Saturno y Neptuno tienen temperaturas más altas de las que esperamos basándose únicamente en la distancia y el albedo porque tienen importantes fuentes de energía internas que elevan sus temperaturas.
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Resumen de la lección
En esta lección, cubrimos algunos conceptos relacionados con las temperaturas en nuestro sistema solar. El primero fue el equilibrio térmico. El equilibrio térmico habla de un escenario en el que la temperatura de un cuerpo se mantiene constante, ya que la velocidad a la que emite y absorbe energía es la misma.
Luego repasamos cómo la distancia influye en la temperatura de un objeto celeste si pretendemos que es un cuerpo negro. Un cuerpo negro es un objeto hipotético e idealizado, uno que absorbe perfectamente todas las longitudes de onda de radiación que caen sobre él.
Esta relación no es lineal porque el brillo de la radiación solar cambia en una cantidad igual a la constante solar dividida por el cuadrado de la distancia al sol en unidades astronómicas. La constante solar es la cantidad de energía solar que llega a un metro cuadrado justo por encima de la atmósfera terrestre cada segundo.
Sin embargo, al calcular la temperatura esperada de un cuerpo celeste, también debemos tener en cuenta su albedo , que es la fracción de luz que refleja un cuerpo. Un planeta con un albedo más alto reflejará más luz solar y, por lo tanto, se espera que sea teóricamente más frío que un planeta con un albedo más bajo. Esto significaría que un planeta como Venus, con un albedo mucho más alto que Mercurio, debería ser más frío que Mercurio a la misma distancia.
Pero sabemos que Venus es mucho más caliente que Mercurio incluso a una mayor distancia del sol e incluso con un albedo mucho más alto que Mercurio. Eso es porque Venus tiene una atmósfera tan densa, que atrapa el calor muy bien. Esto significa que las temperaturas reales en nuestro sistema solar dependen de mucho más que el albedo y la distancia del sol. También dependen de la composición planetaria y de las fuentes internas de calor.
Los resultados del aprendizaje
Esta lección podría contribuir a su capacidad para:
- Discutir el equilibrio térmico
- Proporcionar detalles sobre la constante solar.
- Explica cómo se usa el albedo para calcular la temperatura esperada de un cuerpo celeste.
- Enumere algunos otros factores a considerar al calcular la temperatura esperada de un cuerpo celeste
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