miniaturadeimagen|300x300px|La intensidad de radiación térmica de onda larga de la Tierra, desde las nubes, la atmósfera y la superficie.
El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor mediante radiación térmica.
Enfriamiento radiativo terrestre
En el sistema de la atmósfera terrestre, el enfriamiento por radiación es el proceso por el que se emite radiación de onda larga (infrarroja) para equilibrar la absorción de energía de onda corta (luz visible) procedente del Sol.
El mecanismo exacto por el cual la Tierra pierde calor es más complejo de lo que a menudo se describe. El transporte por convección del calor sensible y el transporte por evaporación del calor latente son fundamentales para eliminar el calor de la superficie y redistribuirlo en la atmósfera. El transporte radiativo puro es más relevante en las capas altas atmosféricas. La variación diurna y geográfica añade complejidad al proceso.
La circulación a gran escala de la atmósfera terrestre se debe a la diferencia en la radiación solar absorbida por metro cuadrado, ya que el Sol calienta más la Tierra en la zona intertropical (principalmente por factores geométricos). La circulación atmosférica y oceánica redistribuye parte de esta energía como calor sensible y latente, tanto mediante el flujo medio como a través de remolinos (conocidos como ciclones en la atmósfera). Como consecuencia, los trópicos irradian menos energía al espacio de la que lo harían sin circulación, mientras que los polos irradian más. Sin embargo, en términos absolutos, los trópicos irradian más energía al espacio que los polos.
Enfriamiento superficial nocturno
El enfriamiento radiativo es común en noches despejadas, cuando el calor se irradia al espacio desde la superficie terrestre o desde la piel de un observador. Este efecto es bien conocido entre los astrónomos aficionados y puede percibirse personalmente en una noche sin nubes. Para apreciarlo, se puede comparar la sensación al mirar directamente al cielo nocturno despejado durante unos segundos con la de interponer una hoja de papel entre el rostro y el cielo. Dado que el espacio exterior irradia a una temperatura aproximada de 3 kelvins (-270 °C) y la hoja de papel lo hace a unos 300 kelvins (temperatura ambiente), el papel irradia más calor hacia la cara que el propio cosmos, por lo que este último se percibe como más frío. Este efecto se ve mitigado por la atmósfera terrestre, especialmente por el vapor de agua que contiene, haciendo que la temperatura aparente del cielo sea mucho más cálida que la del espacio exterior. Es incorrecto afirmar que la hoja "bloquea el frío" del cielo nocturno; en realidad, la hoja irradia calor hacia el rostro, de manera análoga a como lo hace una fogata, siendo la diferencia que la fogata está varios cientos de grados más caliente que el papel.
El mismo mecanismo de enfriamiento radiativo puede provocar la formación de escarcha o hielo negro en superficies expuestas al cielo nocturno, incluso cuando la temperatura ambiente no desciende por debajo del punto de congelación.
Estimación de Kelvin de la edad de la Tierra
El término enfriamiento radiativo se emplea generalmente para procesos locales, aunque los mismos principios se aplican al enfriamiento a escala de tiempo geológico. Este enfoque fue utilizado por primera vez por William Thomson (Lord Kelvin) para estimar la edad de la Tierra, aunque su cálculo ignoró el calor sustancial liberado por la desintegración radiactiva de radioisótopos, un fenómeno desconocido en su época.
Astronomía
El enfriamiento radiativo es una de las pocas formas en que un objeto en el espacio puede liberar energía. En particular, las enanas blancas ya no generan energía por fusión nuclear ni por contracción gravitacional, y carecen de viento solar. Por lo tanto, el único mecanismo que modifica su temperatura es el enfriamiento radiativo. Esto hace que la temperatura de estos objetos en función del tiempo sea muy predecible, lo que permite a los astrónomos deducir su edad a partir de su temperatura observada.
Aplicaciones
Fabricación de hielo nocturno en la India e Irán preindustriales
En la India, antes de la invención de la refrigeración artificial, era común fabricar hielo mediante enfriamiento nocturno. El dispositivo consistía en una bandeja de cerámica poco profunda con una fina capa de agua, colocada al aire libre con exposición directa al cielo nocturno. El fondo y los laterales se aislaban con una gruesa capa de heno. En una noche clara, el agua perdía calor hacia arriba por radiación. Siempre que el aire estuviera en calma y no muy por encima del punto de congelación, la ganancia de calor por convección desde el aire circundante era suficientemente baja como para permitir que el agua se congelara. Una técnica similar se utilizaba también en Irán.
Arquitectura
Los techos fríos combinan una alta reflectancia solar con una alta emisividad infrarroja, reduciendo simultáneamente la ganancia de calor solar y aumentando la eliminación de calor por radiación. Así, el enfriamiento radiativo ofrece un gran potencial para el enfriamiento pasivo complementario de edificios residenciales y comerciales. Las superficies de construcción tradicionales, como pinturas, ladrillos y hormigón, poseen altas emisividades (de hasta 0,96). Por lo tanto, irradian calor hacia el cielo para enfriar pasivamente los edificios durante la noche. Si estos materiales son además suficientemente reflectantes a la luz solar, pueden lograr un enfriamiento radiativo también durante el día.
Los dispositivos de enfriamiento radiativo más comunes en edificios son las pinturas blancas para techos fríos, con reflectancias solares de hasta 0,94 y emisividades térmicas de hasta 0,96. La reflectancia solar de estas pinturas se debe a la dispersión óptica de los pigmentos dieléctricos incrustados en la resina polimérica, mientras que la emisión térmica proviene de la propia resina. Sin embargo, debido a que los pigmentos blancos típicos (como el dióxido de titanio y el óxido de zinc) absorben la radiación ultravioleta, las reflectancias solares de estas pinturas no superan 0,95. Recientemente se han desarrollado recubrimientos porosos de polímero aplicables con brocha, cuyos poros dispersan la luz solar proporcionando una reflectancia solar de 0,96 y una emisividad térmica de 0,97. En experimentos bajo luz solar directa, estos recubrimientos alcanzan temperaturas 6 °C por debajo del ambiente y una potencia de enfriamiento de 96 W/m².
Otras estrategias notables de enfriamiento radiativo incluyen películas dieléctricas sobre espejos metálicos y compuestos de polímeros o polímeros sobre películas de plata o aluminio. En 2014, un equipo desarrolló una estructura fotónica térmica multicapa que emite selectivamente radiación infrarroja de longitud de onda larga hacia el espacio, logrando un enfriamiento por debajo de la temperatura ambiente de 5 °C bajo luz solar directa. También se han descrito películas de polímero plateado con reflectancias solares de 0,97 y emisividades térmicas de 0,96, que permanecen 11 °C más frías que las pinturas blancas comerciales bajo el sol de pleno verano. Los investigadores también han explorado diseños con dióxido de silicio o partículas de carburo de silicio incrustadas en polímeros que son translúcidos en longitudes de onda solares y emisivos en el infrarrojo. En 2017 se presentó un ejemplo de este diseño con microesferas de sílice con resonancia de fonón polaritón incrustadas aleatoriamente en una matriz polimérica. El material es translúcido a la luz solar y posee una emisividad infrarroja de 0,93 en la ventana atmosférica infrarroja. Cuando se respalda con un recubrimiento de plata, alcanza una potencia de enfriamiento radiativo al mediodía de 93 W/m² bajo luz solar directa, con una fabricación económica y escalable mediante técnicas de bobina a bobina.
Véase también
Reflector solar óptico, utilizado para el control térmico de naves espaciales. Enfriamiento pasivo Forzamiento radiativo Ley de Stefan-Boltzmann Efecto albedo terrestre Isla de calor urbana Pluma térmica urbana
Referencias
Categoría:Termodinámica Categoría:Transferencia de calor Categoría:Radiación electromagnética