La energía solar directa no es un efectivo calentador de la atmósfera, sino que, como veremos ahora, esta es calentada por contra radiación desde la Tierra, generando la dinámica de la máquina del tiempo. Aproximadamente el 51% de la energía solar que alcanza el tope de la atmósfera, llega a la superficie de la Tierra directa o indirectamente y es absorbida en el suelo. La mayor parte de esta energía es reirradiada hacia el cielo. Pero como la Tierra tiene una temperatura mucho menor que la del Sol, la radiación terrestre es emitida en longitudes de onda mucho más larga que la radiación solar de onda corta. La radiación terrestre se emite en longitudes de onda comprendida entre 1 y 30 μm, dentro del rango infrarrojo del espectro, con un máximo en 10 μm, por esta razón se llama también radiación de onda larga o radiación infrarroja.
Algunos gases de la atmósfera pueden absorber parte de la radiación que la Tierra emite al espacio, evitando que esta se pierda hacia el espacio exterior. El dióxido de carbono son importantes absorbedores de radiación en el infrarrojo. El vapor de agua absorbe aproximadamente cinco veces más radiación terrestre que todos los otros gases combinados, contribuyendo a elevar la temperatura de la baja troposfera, lugar donde se desarrolla la vida. En la banda entre 8 y 11 μm la atmósfera absorbe muy poca radiación de onda larga, como también el vapor de agua y el CO2. Esta región se llama “ventana atmosférica” debido a que en esa longitud de onda la atmósfera no absorbe radiación, la que se escapa al espacio exterior. Entonces, la atmósfera es transparente a la radiación de onda corta del Sol, pero absorbe la radiación terrestre de onda larga, por lo tanto la atmósfera no es calentada por la radiación solar, sino que se calienta desde el suelo hacia arriba. Mientras más lejos se está del radiador (la superficie de la Tierra), es mas fría, esto explica la disminución de la temperatura con la altura en la troposfera, que en promedio es de -6.5º C/km, conocido como el gradiente normal de temperatura.
Efecto invernadero natural.
La temperatura media de la atmósfera es del orden de -20ºC. La Tierra tiene una temperatura media del orden de 17ºC. Esta mayor temperatura de la Tierra se debe a que la atmósfera absorbe radiación terrestre y se calienta, reirradia energía, que es reabsorbida por los gases de la atmósfera, que nuevamente la emiten hacia la tierra donde es absorbida por la superficie. Así la superficie de la Tierra esta continuamente recibiendo energía desde la atmósfera y del Sol. Este proceso repetitivo hace que la temperatura media de la Tierra sea aproximadamente 35ºC mayor que si no tuviera atmósfera: es el efecto invernadero natural. Se llama así por su similitud con los invernaderos agrícolas: el vidrio de un invernadero deja entrar la radiación de onda corta del Sol que calienta los objetos adentro, estos a su vez emiten radiación en onda larga a la cual el vidrio es opaco y el calor queda atrapado en el invernadero. La luna sin atmósfera y casi a la misma distancia del Sol que la tierra, tiene una temperatura media 35ºC menor que la tierra, porque no tiene efecto invernadero natural.
Las nubes, el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben radiación de onda larga y ayudan a mantener la temperatura de la superficie terrestre, especialmente en la noche. Una cubierta de nube absorbe radiación de onda larga y la reemite hacia la superficie en la noche, pero en las noches con cielos despejados la radiación escapa al espacio, haciendo disminuir más la temperatura nocturna. Las noches con cielos despejados son mas heladas que las con cielo nublado, por el contrario durante los días nublados, las máximas temperaturas son menores que con cielo despejados, ya que las nubes impiden el paso de la radiación solar directa. Por ejemplo los desiertos son muy cálidos en el día y muy fríos en la noche por causa de este efecto.
