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Pedro J. Hdez @ecosdelfuturo
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Llevo meses pesando en un problema de física cuya respuesta nos remonta a un trabajo de Gibbs de 1876 . Se trata de responder a la pregunta: ¿Cuál sería el gradiente de temperaturas de una atmósfera idéntica a la de nuestro planeta pero sólo compuesta de Nitrógeno?
Asumiendo vaca esférica, Gibbs demostró que la maximización de entropía de un gas ideal en un campo gravitatorio con masa y energía costante lleva a un atmósfera isoterma. En el caso de nuestro planeta, un temperatura de equilibro de -18ºC (asumiendo el mismo albedo)
En el contexto de la teoría cinética de los gases, Boltmann en 1896 llegó a la misma conclusión usando su teorema H. Se puede demostrar así, que la distribución de velocidad en tal atmósfera se corresponde con la de equilibro termodinámico (por ej.) pirila.fi/energy/kuvat/b…
Maxwell en 1888 se preocupó del problema del desequilibrio convectivo. Uno se puede imaginar dicha atmósfera en un quasi-equilibro convectivo: la vaca no era esférica ;)
La existencia de movimientos convectivos tiende a crear un gradiente térmico cercano al adiabático. Se puede demostrar fácilmente que este gradiente tiene una pendiente cte = -g/Cp con Cp calor específico a presión constante. O unos -10ºC/km en nuestra atm xclima.wordpress.com/2017/04/17/el-…
En un artículo reciente Pehr Björnbom hizo una revisión de la literatura al respecto y argumenta que el gradiente adiabático podría ser la condición de equilibro en una atmósfera sin gases de efecto invernadero bajo determinadas restricciones sciencedirect.com/science/articl…
Por supuesto, el hecho de que nuestra atmósfera real se acerque a un gradiente adiabático húmedo de unos -6.5 ºC/km está totalmente condicionado por la presencia de GEI cuyas propiedades radiativas intentan forzar un gradiente mayor que el adiabático y provoca así convección.
Donde la condición de eq. radiativo crea un gradiente igual al adiabático deja de producirse convección y aparece la tropopausa, por encima de la que se establece una estratosfera que tiende al equilibrio radiativo isotermo con una tª teórica de -60ºC xclima.wordpress.com/2016/08/07/el-…
Dicho de otra manera, los GEI fuerzan una estructura básica de la atmósfera troposfera-tropopausa-estrastosfera con un gradiente cercano al adiabático húmedo en la troposfera y una distribución teórica isoterma en la estratosfera.
En una atmósfera pura de N2, se establecería por tanto un gradiente adiabático temporalmente (como cuasi-equilibrio) hasta que el equilibrio termodinámico básico termine por establecer una atmósfera isoterma. Digamos que una troposfera inicial se convertiría en estratosfera.
Esa podría ser la solución a la pregunta inicial, pero por supuesto continúa el debate académico. Las referencias fundamentales al respecto en la anotación [1] xclima.wordpress.com/2017/04/17/el-…
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