Climatización pasiva: El efecto Invernadero

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Una manera muy simple de aumentar el calor en una habitación es dejar entrar luz exterior por un cristal. Pero ¿por qué funciona?, ¿Por qué alcanza el interior de mi coche los 1000ºC cuando lo dejo al sol? Voy a intentar explicar el efecto invernadero, tema muchas veces explicado y pocas veces comprendido.

invernadero

Lo sentimos, pero antes de comprender qué es el efecto invernadero,  son necesarias unas pequeñas nociones de física/óptica que te recordarán a tus años tras un pupitre.

 

Hágase la luz. Los fotones

Lo que llamamos luz es sólo la parte visible de la radiación electromagnética, r.e.m. para abreviar, aunque aquí le llamaremos simplemente radiación para simplificar. La radiación está formada por un chorro de partículas llamadas fotones que, al tener muy poco peso -su masa es cero-, se comportan principalmente como ondas. Un fotón con mucha energía se comporta como una onda corta, es decir de mucha frecuencia. Cuando fotones de distintas energías viajan juntos, sus ondas correspondientes se componen entre sí. Veamos un ejemplo sencillo con un par de ondas.

efecto_invernadero_suma_de_sinusoidales

 

Cambiando de medio. La refracción

La radiación no necesita un medio para propagarse, pero se propaga a distintas velocidades según el medio. El cambio de velocidad afecta más a los fotones con menos energía, que se desvían más de su trayectoria. De esta forma aparece el espectro, con los fotones de más energía más cercanos al haz original y los otros más desviados. Cuando esto ocurre con la luz visible, aparece el famoso arcoiris.

En Óptica se define el índice de refracción (n) como una relación de lo que se desvía un haz de luz al cambiar de medio, así un índice más alto es indicativo de un medio en el que la radiación se propaga más despacio. Si la transición se produce de un medio rápido a un medio lento, algunos fotones se desvían tanto que no logran atravesar la frontera y se ven reflejados. En la siguiente imagen vemos qué ocurre cuando los dos fotones del ejemplo anterior llegan a la superficie de un medio más lento -con mayor índice de refracción-: el fotón con más energía continúa su camino aunque desviado, mientras que el fotón con poca energía es reflejado.

efecto_invernadero_refraccion

Atravesando dos medios. Los filtros

Para el caso que nos interesa, veamos qué pasa cuando la radiación atraviesa un vidrio como el de una ventana con dos superficies paralelas. El cristal es un medio más lento que el aire. Como ocurría en el ejemplo anterior, los fotones de menor energía se reflejan en la primera superficie, mientras que los de mayor energía la atraviesan con mayor ángulo. Los fotones que logran entrar al vidrio viajan con un ángulo que depende de su frecuencia (color) de modo que, si viviéramos dentro del cristal, podríamos ver un arcoiris.

Al llegar a la segunda superficie del cristal los ángulos se corrigen y se elimina el efecto arcoiris, viajando nuevamente todos los fotones con el mismo ángulo y se vuelve a ver la luz blanca. Como resultado, cuando la radiación atraviesa un vidrio, tiene el mismo aspecto que antes de atravesarlo, pero falta radiación de baja energía que no ha sido capaz de atravesarlo. En este sentido, se comporta como un filtro de baja frecuencia. (Las ondas de radio son de menor frecuencia aún, pero como son más grandes que la ventana, la ignoran y atraviesan sin problema).

 efecto_invernadero_filtro_baja

 

Repartiendo el calor. La radiación del cuerpo negro

Un cuerpo, por el simple hecho de tener temperatura, emite radiación. La radiación del cuerpo negro está formada por fotones de distintas energías, y su distribución depende de la temperatura del cuerpo: Cuanto más caliente está el cuerpo, mayor proporción de fotones de altas energías hay. A la temperatura ambiente, los cuerpos emiten radiación principalmente en infrarrojos. Para que la radiación alcance el espectro visible, la temperatura tiene que llegar a los 850K.

 

El efecto invernadero

Un invernadero clásico es un local cubierto de vidrio -aunque le digamos cristal- o plástico transparente. El vidrio deja pasar la radiación de media y alta energía, como la visible, pero refleja las de menores energías como la infrarroja. Así que, en principio, llega menos radiación al suelo, pero la que llega calienta bastante. El suelo, al ser opaco, absorbe la radiación y se calienta. Para simplificar, imaginemos que el suelo es completamente negro y absorbe toda la radiación que le llega. El suelo, por la temperatura que tiene, emite principalmente radiación infrarroja. El vidrio refleja la radiación infrarroja que emite el suelo de vuelta hacia el propio suelo. Como la cantidad de energía que es reflejada hacia abajo es mayor que la luz solar que es rechazada hacia arriba,  el resultado neto es que el aire comprendido entre el vidrio y el suelo se calienta más. El esquema está simplificado al máximo, y sólo aparecen las radiaciones que intervienen directamente en el efecto invernadero.

 efecto_invernadero_flujos

El albedo

El suelo no es nunca un objeto completamente negro porque si no no podríamos verlo. Una parte de la radiación que le llega se refleja. Por norma general, cuanto más claro es un objeto más luz refleja y menos absorbe. La luz reflejada por el suelo es de alta frecuencia -visible-. Como la eficacia del efecto invernadero depende de que la radiación que emite el suelo sea de baja frecuencia -infrarrojos-, un suelo claro disminuye la capacidad del efecto invernadero, mientras que uno oscuro la aumenta. Al porcentaje de radiación que es capaz de reflejar el suelo se le denomina “albedo”.

albedo efecto invernadero

 

Aplicaciones del efecto invernadero

Independientemente del efecto invernadero, cuando un objeto recibe luz directa del sol se calienta, y si el objeto es oscuro se calienta más que si es claro. Pero cuanto más calor absorba el suelo más eficaz será el efecto invernadero, ya que éste emite más radiación infrarroja. Por tanto, si tenemos una habitación cerrada con cristal, podemos aumentar el calor en el interior dejando entrar la luz solar por los cristales y pintando el interior con colores oscuros.

Entre las aplicaciones de este fenómeno, además de en los invernaderos propiamente dichos, podemos utilizarlo en la climatización del hogar, haciendo uso de persianas, ventanas, tragaluces, toldos, etc. y eligiendo oportunamente los colores de las habitaciones.

Las placas solares térmicas para ACS aprovechan el efecto invernadero: los tubos vienen en una caja con el fondo negro y una tapa transparente, para maximizar el calor que absorben.

Como todos hemos observado alguna vez en nuestro coche, el efecto invernadero puede calentar el interior excesivamente. Podemos disminuir el calor colocando parasoles, o bien si la tapicería y el salpicadero son de colores claros, una buena parte de la luz que llega volverá a salir reflejada.

efecto invernadero cocinando en coche

La atmósfera del planeta actúa como un gigantesco cristal que aumenta en varios grados la temperatura media del planeta. La composición de gases y partículas en suspensión hace variar la “potencia” del filtro. Los llamados gases de efecto invernadero son aquéllos que con pequeños aumentos en su concentración, aumentan mucho el efecto invernadero de la atmósfera -entre ellos, el dióxido de carbono y el metano, pero también el vapor de agua (nubes)-. Las capas de hielo de los polos tienen un albedo muy alto, lo que significa que ayudan a evitar el efecto invernadero. Este es un motivo por el cual la pérdida de hielo en los polos aumenta el calentamiento global.

También habrás observado que en las noches que hay nubes hace más calor que cuando está despejado, esto se debe a que el calor que irradia el suelo es reflejado por las nubes y enviado de vuelta.

4 Comentarios

  1. En el artículo que indicas dicen una cosa cierta y se confunden con otra. Por un lado es cierto que si no fuera porque un invernadero está cerrado y se evita la convección con el exterior -y del viento exterior, ya de paso-, la temperatura apenas subiría. Por otro lado se confunde en que el efecto invernadero no es lo que explica al 100% cómo funciona un invernadero. El efecto invernadero es el nombre que se le da en Física al aumento de calor provocado porque la radiación infrarroja es reflejada por una superficie. Para explicar por qué hace la temperatura que hace en el interior del invernadero son necesarios más conceptos, pero creo que se escapa de la intención del artículo que sólo pretende aclarar el efecto invernadero en sí.

    Esto es lo mismo que si tú me explicas cómo funciona un aire acondicionado para enfriar una habitación y yo respondiera: “Sí, pero dentro de la habitación hace menos calor que en la calle porque está a la sombra; el aire acondicionado ayuda a enfriar, pero si no fuera porque la habitación tiene las ventanas cerradas, no duraría nada el frío”.

    Aunque no está mal hacer notar que la temperatura dentro del invernadero no se debe exclusivamente al efecto invernadero, sino que un buen aislamiento evita que este calor se escape al exterior.

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    • Esto me pasa por contestar muy rápido y no matizar mis palabras. No es mi intención intentar corregirte porque estoy seguro que de esto sabes bastante más que yo. Lo siento si has creído eso.

      La parte que me vino a la memoria al leer tu artículo era que había leído algo en alguna parte respecto a la influencia de los infrarrojos era limitada. En este artículo mencionan el experimento de R. W. Wood y cito “Esto nos muestra que la pérdida de temperatura del suelo por radiación es muy pequeña comparada con la pérdida por convección; en otras palabras, conseguimos muy poco por el hecho de que la radiación sea bloqueada.”

      Si lo que querías era explicar QUÉ es el efecto invernadero en física, admito que no había entendido el objeto de la entrada. Creía que pretendías explicar CÓMO funcionaban los invernaderos y sus aplicaciones.

      Me imagino que los físicos tendréis vuestras discusiones bizantinas al respecto, porque releyendo la entrada en el TAMIZ me encuentro con este párrafo: “Desgraciadamente, la idea de que los invernaderos funcionaban bloqueando la radiación infrarroja estaba muy extendida, y el nombre del mal llamado efecto invernadero es la consecuencia de esto. Todavía se explica muy a menudo a los escolares con diagramas que muestran “cristales” en la atmósfera y rayos infrarrojos que suben desde el suelo, rebotan y vuelven a caer al suelo: estoy hablando completamente en serio, y de libros de 2008.”
      Y con esto sólo pretendo constatar una impresión que tengo, no pretendo crear un flame. ;D

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      • El fallo es mío entonces, por no haber sabido explicarme mejor y que te llevara a confusión.

        En cualquier caso, agradezco tu aporte que espero sirva para aclarar ideas.

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