La revista “Physics Today” acaba de publicar en el presente mes de julio, un artículo resumiendo los resultado principales del trabajo: “The climate system and the second law of thermodynamics” del profesor Martin Singh de la Universidad de Australia y de la doctora Morgan O’Neill de la Universidad de Stanford en Estados Unidos, publicado en la prestigiada revista “Reviews of Modern Physics” en enero de este año. El artículo es particularmente interesante debido a sus implicaciones para el estudio del cambio climático en nuestro planeta.
Se sabe que el planeta durante millones de años ha pasado por muchos cambios climáticos como glaciaciones y periodos de calentamiento durante los cuales cocodrilos prehistóricos deambularon en la Antártida. Sin embargo en la actualidad las emisiones producidas por la actividad del hombre en el planeta emitiendo gases invernadero está cambiando rápidamente el clima lo cual es un riesgo para el hombre, la sociedad y los ecosistemas.
Para entender el clima del planeta se requiere comprender los fluidos que le rodean; en particular la atmósfera y los océanos, así como la litósfera sólida responsable de absorber y reflejar mucha de la radiación solar recibida. En general el sistema climático de la Tierra se mantiene en estado de equilibrio pues la radiación que llega a la Tierra del espacio es aproximadamente la misma que se radia. Si se pierde este balance podrían ocurrir cambios drásticos en el clima. Una característica del clima terrestre y de cualquier otro planeta, es que los procesos que allí ocurren son irreversibles, esto es: Se dan en una dirección del tiempo y no en otra. Piense por ejemplo en la lluvia; siempre cae de arriba hacia abajo y no al revés. O piense en las hojas de los árboles; siempre caen de los árboles al suelo y no suben del piso a los árboles.
Igual que la energía, la entropía es una propiedad de cualquier sistema termodinámico, pero a diferencia de la energía, la entropía no se conserva, sino que la entropía es continuamente producida en los procesos irreversibles.
Los científicos gustan de modelar sistemas ideales que son reversibles. Sin embargo todos los procesos del mundo real son irreversibles y por tanto producen entropía que continuamente, debido a la segunda ley de la termodinámica, se incrementa.
Aunque el clima es un sistema aproximadamente estable, está lejos de estar en equilibrio termodinámico. De hecho el sistema climático del planeta puede pensarse como un motor que opera debido a los cambios de temperatura producidos por la no homogénea distribución de energía solar que recibe. Son estos gradientes de energía los que conducen a gradientes de temperatura y presión y son los responsables del viento en el planeta.
Todos los ingenieros y estudiantes que han estudiado termodinámica saben que el transporte del calor en un motor de un reservorio caliente a uno frío, produce energía mecánica que puede ser usada para realizar trabajo.
De hecho la eficiencia ideal de todo motor se determina a partir de las diferencias entre las temperaturas caliente y fría en que el motor opera. A esta eficiencia se le llama la “eficiencia de Carnot”. En realidad ningún motor opera a la eficiencia de Carnot debido a la inevitable presencia de procesos irreversibles como fricción entre pistones y cilindros, y debido a pérdidas de conducción térmica. Nuestro planeta es esencialmente un gigantesco motor que funciona debido al calor obtenido por absorción de radiación solar y que es enfriado a partir de la emisión de radiación del planeta al espacio exterior.
El calentamiento es mayor en la zona tropical de la Tierra mientras que las zonas frías se encuentran en la tropósfera y cerca de los polos. El motor terrestre realiza trabajo sobre la atmósfera y los océanos y produce torbellinos y ondas que son disipados por turbulencia y viscosidad. Todos los procesos que ocurren son irreversibles. Por ejemplo durante el ciclo hidrológico; el sol calienta el agua del mar, la evapora y este vapor forma nubes que al condensarse produce lluvia cuya agua cae sobre la tierra y eventualmente regresa al mar. Todos y cada uno de los elementos de este ciclo son procesos irreversibles, y por tanto no podría ocurrir al revés.
La modelación matemática de todos estos procesos a nivel terrestre es de extrema complejidad además de requerir continuamente de información confiable sobre mediciones climáticas. Esta investigación permite también estudiar el clima esperado en exoplanetas de otros sistemas solares.