Luz y Energía: Comprender la Energía Recibida por la Tierra

Descripción de la imagen: El espectro electromagnético abarca todas las gamas de luz. Maxwell demostró que la luz es una onda electromagnética y que no hay razón para restringir su longitud de onda al intervalo correspondiente al espectro visible. En realidad, todo el espectro electromagnético está compuesto de luz.

La Energía de los Fotones

La luz del Sol calienta la Tierra. Esta energía proviene de las ondas electromagnéticas y, en particular, de los fotones que golpean la superficie de nuestro planeta. La luz visible forma parte de un pequeño rango de vibraciones electromagnéticas que se encuentran en el espectro electromagnético.

La atmósfera terrestre solo permite el paso de una pequeña parte de esta radiación. Las ondas cortas son absorbidas en las capas atmosféricas y las ondas largas se reflejan. La mayor parte de las ondas que nos llegan son las de la luz visible. La naturaleza de la luz pertenece a la mecánica cuántica, donde es tanto una onda como una partícula (se pueden contar las partículas contenidas en la onda).

La luz tiene una longitud de onda que determina su color. El rojo emite en la longitud de onda de 620 a 780 nanómetros, el naranja de 592 a 620 nm, el amarillo de 578 a 592 nm, el verde de 500 a 578 nm, el azul de 446 a 600 nm y el violeta de 380 a 446 nm. Las diferentes ventanas del espectro electromagnético se caracterizan por una longitud de onda, pero también por un rango de frecuencias definidas.

La frecuencia es el número de oscilaciones electromagnéticas que pasan por un punto dado en un segundo. Se expresa en la unidad de frecuencia, que es el hercio. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la frecuencia. Cuando recibimos los rayos de luz del Sol en nuestra piel, nos damos cuenta de que los fotones transportan energía.

Pero, ¿cuánta energía transporta un fotón?

Todo depende del fotón, o más bien, todo depende de la longitud de onda del fotón. Cuanto más corta es la longitud de onda del fotón, más energético es. La fórmula E = hf permite calcular la energía de un fotón.

• E es la energía expresada en julios.
• h es la constante de Planck (6,62 x 10^-34).
• f es la frecuencia en hercios.

La energía de un fotón es, por lo tanto, infinitamente pequeña.

¿Cuántos Fotones se Necesitan para Calentar una Taza de Café?

Depende de la frecuencia, y por lo tanto, del color. La frecuencia del rojo es de 350 THz y la del azul es de 750 THz. La fórmula E = hf da la energía de un fotón.

Energía de un fotón azul: E = (6,62x10^-34)x(750x10¹²) ≈ 10^-18 julios. 1 julio ≈ 10¹⁸ fotones azules.

Una caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua líquida de 14,5 a 15,5 °C. Esto corresponde a 4,1855 julios. Para elevar la temperatura de 10 cm3 de café en 50 °C, se necesitan aproximadamente 100x50x10¹⁸, es decir, 5x10²¹ julios y aproximadamente 10²¹ fotones azules y 10²² fotones rojos. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía de la radiación.

N.B.: 1 kJ equivale aproximadamente a 239 calorías. 1 Ws (vatio segundo) = 1 julio. 1 kWh (kilovatio hora) = 3.600.000 julios.

¿Cuál es la Potencia Solar Recibida por la Tierra?

La temperatura media actual de la Tierra está relacionada con la potencia solar media recibida en la Tierra y la distancia Tierra/Sol.

El cálculo de la potencia recibida en la Tierra en vatios por metro cuadrado se da por Pr = L/4ΠR2 x Πr2, y el cálculo de la potencia absorbida por la Tierra se da por Pa = Pr (1-A).

• L/4ΠR2 es la constante solar, igual a 1368 wm2. El valor promedio (solo un hemisferio recibe la radiación) es de 342 wm2, considerando el albedo, es de 239 wm2. Pero la Tierra reemite luz al espacio.

La Tierra está en equilibrio termodinámico, lo que significa que la potencia absorbida es igual a la potencia reemitida. El cálculo de la temperatura media de la Tierra da 255 K, pero el efecto invernadero producido por la presencia de vapor de agua y dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra aumenta la temperatura en 33 K, siendo de 288 K, o aproximadamente 15°C.