lunes, 15 de junio de 2015

EFECTO INVERNADERO

Cuando un sólido se calienta hasta el estado de incandescencia, emite radiación continua que depende más de la temperatura de la superficie emisora que del material del que está formado. La radiación de este tipo se denomina Radiación del Cuerpo Negro (un Cuerpo Negro es cualquier objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre él).  Todo objeto por encima del cero absoluto de temperatura emite radiación en un rango de longitudes de onda que depende de su temperatura. La radiación producida es consecuencia de las innumerables oscilaciones atómicas y moleculares de las partículas condensadas que constituyen el cuerpo.

La temperatura de la superficie del Sol es de aproximadamente de 6000 oC y la energía emitida corresponde en su mayoría a la banda del espectro visible, entre 400 nm y 700 nm. Esta radiación y la infrarroja de pequeña longitud de onda pasa a través de la atmósfera terrestre sin ser absorbida (aunque una parte es reflejada al espacio por las nubes) y calienta la superficie de la Tierra (suelo y océanos). De la radiación ultravioleta por debajo de 400 nm, también emitida por el Sol, tan sólo una mínima parte alcanza la superficie terrestre al ser absorbida, por la cada vez más debilitada, capa de ozono que se encuentra en la estratosfera.

La superficie de la Tierra calentada por la radiación solar emite una radiación correspondiente a la región del infrarrojo, entre 4000 y 100000 nm. Tanto el dióxido de carbono como el vapor de agua son capaces de absorber la energía emitida por la Tierra. El vapor de agua absorbe preferentemente la energía comprendida entre los 4000 y 7000 nm, mientras que el dióxido de carbono lo hace entre el rango de los 13000 y 19000 nm. Entre 7000 y 13000 nm, existe una "ventana" a través de la cual más del 70% de la radiación emitida por la superficie de la Tierra escapa al espacio.

En la gráfica siguiente se muestra el efecto invernadero de algunos de los gases presentes en la atmósfera:

Gas
Eficacia relativa del efecto invernadero por molécula
Concentración en la atmósfera (ppm)
Dióxido de carbono (CO2)
1
350
Metano (CH4)
30
1.7
Óxido de nitrógeno (I) (N2O)
160
0.31
Ozono (O3)
2000
0.06
CFC 11 (CCl3F)
21000
0,00026
CFC 12 (CCL2F2)
25000
0,00024

Se puede ver que el dióxido de carbono es el más importante de los llamados gases de Efecto Invernadero porque a pesar de ser el de menor eficacia está presente en la atmósfera en una gran proporción.

Parte de la radiación solar que llega a la atmósfera es directamente reflejada de nuevo al espacio y nunca alcanza la superficie terrestre; de la porción de radiación no reflejada, una parte atraviesa la atmósfera y alcanza la superficie terrestre aumentando su temperatura, y una cierta cantidad es absorbida por gases como el vapor de agua y el dióxido de carbono. Aunque el oxígeno y el nitrógeno son los gases más abundantes de la atmósfera, son transparentes a las radiaciones al no interferir en ellas.

El resultado final es que parte de la energía emitida por el Sol aumenta la temperatura de la Tierra y ésta, a su vez, como cuerpo caliente que es, emite también radiaciones aunque en longitudes de onda más grandes que las que provienen del Sol por la razón obvia de que su temperatura es inferior. La energía que procede del Sol ,y alcanza la superficie de la Tierra, lo hace con una cierta longitud de onda; cuando esa energía pretende abandonar la Tierra, la nueva radiación posee una longitud de onda sensiblemente mayor y es esta diferencia de longitud de onda lo que hace que la energía tenga más dificultad para salir que para entrar en las capas bajas de la atmósfera; en definitiva, éste es el hecho que produce el Efecto Invernadero, llamado así porque el fenómeno recuerda al mismo que retiene el calor en un invernadero.

Así pues, y esto es de vital importancia, los llamados gases de efecto invernadero no sólo absorben sino que también emiten radiación infrarroja.

La Tierra es capaz de controlar el equilibrio térmico planetario a través de complejos mecanismos. El problema radica, como casi siempre, en la actividad humana. La ingente producción de gases de efecto invernadero (fundamentalmente dióxido de carbono) para sostener nuestra sociedad industrial y tecnológica ha roto el delicado equilibrio térmico. Como muestra, un botón:

- Entre 1850 y 1950 (primer siglo de la época industrial) que quemaron 60 Gt de combustible (60000 millones de toneladas).
- En la década de 1980, cada año se quemaban 5 Gt (5000 millones de toneladas).
- Siglo XXI, cada once años se quema una cantidad similar a la del primer siglo de la época industrial, 60 Gt.

¿Dónde está el límite?... Tal vez el propio planeta lo ponga de una manera drástica y sin solución...

En el estudio experimental del Efecto Invernadero, en primer lugar, se observó el diferente efecto térmico de las radiaciones. Se midió la temperatura de emisión de una bombilla de incandescencia y de una bombilla infrarroja. En el siguiente vídeo se observa el resultado:


En el estudio de la influencia del material en el aumento de la temperatura, partimos de cuatro situaciones: Aire, Plástico, Vídrio y Plástico pintado de negro. Para ello, se colocó un termómetro al aire y otros tres colocados en sendas botellas de plástico, vídrio y plástico pintado de negro. A cada termómetro se lo colocó una pequeña bandera de papel de aluminio para favorecer la absorción de radiación.
Termómetro y papel de aluminio

Termómetro con la "bandera"
Botella pintada de negro media sección
El montaje en sencillo. El foco luminoso (bombilla de 90 w) se coloca en el centro. Los cuatro termómetros se colocan en forma de cruz evitando que les de sombra y con la bandera de aluminio hacia la bombilla.

Montando el experimento
Montando el experimento
Inicialmente, los termómetros se montaron a unos 15 cm de la fuente luminosa pero las medidas no eran buenas. Esa distancia de 15 cm está pensada para una bombilla de 150 w. Al tener una bombilla de 90 w, colocamos los termómetros a unos 5 cm del foco luminoso.

Montaje
Funcionando
Se dejó el sistema unos cinco minutos hasta que alcanzara el equilibrio térmico y se encendió la bombilla. Por grupos, se fue tomando lectura de los diferentes termómetros cada minuto.

Midiendo

El resultado obtenido se muestra en la siguientes tabla:


Temperatura (oC)
Tiempo
(minutos)
Aire
Botella de plástico
Botella de plástico pintada de negro
Botella de vidrio
0
27.5
27.5
27.5
27.5
1
28
28
28
28.5
2
28
29.5
28
29
3
28
30
29
30
4
28
30.5
29
31
5
29
31
30
31
6
29
32
30
31
7
29
32.5
31
31.5
8
29
33
31
32
9
29
33
32
32
10
29
33
32
32
11
30
33
33
32.5
12
30
33
33
32.5
13
30
33
34
33
14
30
33
34
33
15
30
33
35
33

Tras 15 minutos de medición, se puede observar fácilmente la influencia del material. El termómetro colocado al aire aumentó su temperatura en 2.5 grados centígrados mientras que el colocado en la botella de plástico pintada lo hizo en 7.5 grados. Plástico y vídrio parecen tener un comportamiento parecido, aumentando la temperatura en 5.5 grados.

A continuación, llevamos el experimento al terrado del centro para observarlo bajo la acción directa del Sol. La forma de operar es la misma. Se dejan los cuatro sistemas a la sombra durante cinco minutos para que alcancen el equilibrio térmico. A continuación, se sacan al Sol y se tumban en el suelo con la "bandera" de aluminio extendida al Sol.

Alcanzando el equilibrio térmico a la sombra

Botellas al Sol
Disfrutando del paisaje entre medida y medida
Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla:


Temperatura (oC)
Tiempo
(minutos)
Aire
Botella de plástico
Botella de plástico pintada de negro
Botella de vidrio
0
22
22
22
22
2
22
25
27
25
4
23
27
31
26
6
23
28
31
27
8
23
29
33
27
10
23
29
33
29
12
24
30
34
30
14
24
30
36
30
16
24
31
36
31
18
24
31
36
32
20
24
31
36
32

Los resultados obtenidos van en la misma línea que en el laboratorio. La botella de plástico pintada de negro consigue un incremento de la temperatura en su interior de 14 grados centígrados. Las botellas de vidrio y plástico casi no tienen diferencia entre sí (32 y 31 grados). Al aire, se consigue un ligero incremento de 2 grados centígrados.

Temperatura alcanzada en la botella pintada de negro
Por último, se estudió la influencia de un gas de efecto invernadero como el dióxido de carbono. Para ello se realiza un montaje como se muestra en las imágenes:

Montaje esquemático

Montaje real

Se cortan dos discos idénticos de papel de aluminio que ajusten en la base de los vasos de precipitados. Estos discos servirán para absorber y volver a emitir energía radiante simulando la superficie  de la Tierra. Se colocan los vasos de precipitado uno al lado del otro con los discos dentro y se coloca la lámpara incandescente en su portalámparas a unos 15 cm por encima de la base con el papel de alumnio. Los dos vasos deben de estar iluminados por igual cuando la lámpara esté encendida. Se afianzan cada termómetro con su bulbo a unos 2 cm por encima del disco metálico que hay dentro de cada vaso. Se deben elegir termómetros que lean la misma temperatura en las mismas circunstancias. Se enciende la luz y se espera, unos 5 minutos, hasta que los termómetros alcancen lecturas estables (equilibrio térmico). Si no tuvieran la misma lectura, se mueve la lámpara hasta que sean idénticas. Ahora, se introduce el dióxido de carbono dentro de uno de los vasos utilizando un tubo conectado a la fuente. Es importante que el tubo no origine sombra en el termómetro. Se deja fluir el dióxido de carbono hasta llenar el vaso y compensar la pérdida por difusión.

Para producir dióxido de carbono, inicialmente se empleó la reacción química entre el vinagre y el bicarbonato. Como producía un gran burbujeo que acababa manchando el vaso de precipitado se cambio por la reacción entre el ácido clorhídrico y trozos de mármol (carbonato de calcio).

2 HCl (aq)  +  CaCO3(s)  →  CaCl2(aq)  +  H2O(l)  +  CO2(g)

Ácido clorhídrico y mármol
En la siguiente imagen se muestra el experimento en desarrollo:


Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla:

Recipiente 1: Con dióxido de carbono.
Recipiente 2: Sin dióxido de carbono.


Temperatura (oC)
Tiempo
(minutos)
Recipiente 1
Recipiente 2
0
29
29
2
32
29
4
34
29
6
36
29
8
36
30
10
36
30

Recipiente sin dióxido de carbono
Recipiente con dióxido de carbono
En el recipiente con dióxido de carbono se consigue un incremento de 7 grados centígrados poniendo de manifiesto el efecto de gas invernadero que produce esta sustancia. En la reacción química, junto con el dióxido de carbono, también se produce agua. Como es una reacción exotérmica, parte de ese agua podría pasar a vapor de agua. ¿Participa ese vapor de agua en el efecto invernadero?... ¿En qué porcentaje?... Las respuestas habrá que buscarlas en otra ocasión.

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