E4 Máquina Térmica Atmosférica

Tópico

La atmósfera funciona como una máquina térmica que convierte la diferencia de temperatura entre un foco caliente y un foco frío en trabajo mecánico: el foco caliente son los trópicos, cercanos a trescientos kelvin, y el foco frío son los polos, cercanos a doscientos cuarenta kelvin, y el trabajo mecánico que esta máquina térmica atmosférica produce a partir de esa diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío son los vientos, los ciclones y las ondas atmosféricas. Este marco termodinámico es fundamental para entender tanto la intensidad de la circulación general de la atmósfera como la forma en que esa circulación general responde al cambio climático.

Toda máquina térmica, incluida la máquina térmica atmosférica, tiene un límite superior de eficiencia que depende únicamente de la razón entre la temperatura del foco frío y la temperatura del foco caliente: ese límite superior de eficiencia es igual a uno menos esa razón entre la temperatura del foco frío y la temperatura del foco caliente, de modo que cuanto más se acerca la temperatura del foco frío a la temperatura del foco caliente —es decir, cuanto menor es la diferencia de temperatura entre ambos focos—, más bajo es el límite superior de eficiencia de la máquina térmica atmosférica. La eficiencia real de la circulación atmosférica queda muy por debajo de ese límite superior de eficiencia, cercana apenas a un dos por ciento, porque muchos de los procesos que ocurren dentro de la máquina térmica atmosférica son irreversibles y no pueden convertir la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el foco frío en trabajo mecánico con la eficiencia máxima que el límite superior de eficiencia permitiría.

Esta irreversibilidad de la máquina térmica atmosférica se explica por un balance de entropía: el mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío que impulsa a la máquina térmica atmosférica tiende, por sí solo, a reducir la entropía del sistema climático, mientras que los procesos disipativos de la máquina térmica atmosférica —la fricción y la cascada turbulenta que rompe los remolinos grandes en remolinos cada vez más pequeños— producen entropía. En el funcionamiento estacionario de la máquina térmica atmosférica, la entropía que los procesos disipativos producen equilibra exactamente a la entropía que el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío reduce, y es precisamente esa producción de entropía por disipación la que le impide a la máquina térmica atmosférica alcanzar el límite superior de eficiencia descrito antes.

Bajo el calentamiento del sistema climático, la temperatura del foco frío sube más rápido que la temperatura del foco caliente, un fenómeno conocido como amplificación polar, y ese aumento más rápido de la temperatura del foco frío reduce el gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío. Como el límite superior de eficiencia de la máquina térmica atmosférica depende de ese mismo gradiente de temperatura entre el foco caliente y el foco frío, un gradiente de temperatura más pequeño reduce también la eficiencia de la máquina térmica atmosférica, y una máquina térmica atmosférica menos eficiente produce menos trabajo mecánico: la circulación general de la atmósfera y los vientos en chorro de las latitudes medias, dos de las formas en que la máquina térmica atmosférica convierte su diferencia de temperatura en trabajo mecánico, se debilitan. Ese debilitamiento de la circulación general de la atmósfera y de los vientos en chorro de las latitudes medias, que nace de la misma máquina térmica atmosférica y del mismo foco caliente y foco frío con los que empezó esta descripción, tiene implicaciones profundas para los patrones de tiempo que esa circulación general y esos vientos en chorro terminan produciendo.

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