Una gran parte de la radiación solar incidente sobre la Tierra se almacena en forma de calor cerca de la superficie. Un 47% de ésta es absorbida por los océanos y continentes mientras que el 24% de radiación la absorbe la atmósfera.
El calor, en situaciones de equilibrio, será reirradiado pero, a su vez, la temperatura del medio responsable de la absorción aumentará y, en algunos casos, los gradientes de temperatura entre las regiones que lo absorben y los de su entorno que no la absorben, producen unos flujos de calor significativos.
La capacidad de la tierra firme y del mar para actuar como absorbedores de energía solar y como almacenamientos de calor tiene mucha importancia para la biosfera. Ésta viene determinada, hasta cierto punto, por la capacidad calorífica del medio y por los procesos que pueden devolver calor a la atmósfera. Las formas de vida presentes en la Tierra dependen del efecto invernadero, que posibilita que las temperaturas se mantengan dentro de los límites citados anteriormente.
La utilización de los flujos de calor y del calor almacenado, pueden definirse como usos añadidos a los beneficios del régimen térmico «natural» de la Tierra, pero muchas veces no está muy clara la división entre usos «naturales» y «artificiales». Por eso la valoración de la magnitud del recurso es algo arbitraria y en cada caso es necesario especificar qué es lo que se incluye en el recurso base.
Los océanos son los acumuladores de calor más importantes de toda la biosfera. En ellos se encuentran gradientes significativos de temperatura por debajo de los 50° de latitud y a profundidades inferiores a 1.000-2.000 metros cerca del Ecuador, las variaciones son aún mayores a profundidades de pocos centenares de metros, además de ser estables a lo largo del año, cosa que no ocurre en las regiones alejadas del Ecuador.
Casi la mitad de la energía solar absorbida por los océanos se utiliza para evaporar el agua. La otra mitad se transfiere a la atmósfera como calor sensible de convección, pero la parte más importante se reirradia a la atmósfera. El tiempo que la energía absorbida permanece en el océano antes de ser utilizada de alguna de las formas anteriormente citadas determinará el régimen de temperatura.
Los gradientes de temperatura debidos a la absorción de la radiación solar en las tierras firmes del planeta tienen una componente diurna y una componente estacional. Los procesos de transporte de calor son principalmente por conducción más que por movimiento de masas, lo que implica que las regiones calentadas son mucho menores.
Las variaciones de temperatura en la atmósfera son algo menores pero de signo constante, excepto para la capa cercana al suelo hasta el límite entre la troposfera y la estratosfera. A mayores alturas, el gradiente cambia de signo pocas veces. El gradiente de temperatura en los primeros cientos de metros sobre el suelo viene muy determinado por el signo del flujo de radiación total neto, que presenta ciclos diarios caracterizados por un flujo hacia abajo durante el día y un flujo hacia arriba durante la noche.
Como la densidad del aire disminuye con la altitud y su capacidad calorífica es pequeña en comparación con la del agua, la conversión potencial de la energía contenida en la atmósfera por unidad de volumen es pequeña.
LA GEOTERMIA Y SU APLICACIÓN ENERGÉTICA
En algunas zonas del interior de la Tierra se crea energía calorífica debido a las desintegraciones radioactivas de determinados elementos. Este material se encuentra en un proceso de enfriamiento desde una elevada temperatura inicial o como resultado del calor liberado en el interior por condensación. La mayor parte de materiales que contienen elementos radiactivos se concentran en la parte superior de la corteza terrestre.
La energía geotérmica se aprovecha mediante un sistema de captación del calor de la Tierra, que los romanos ya habían utilizado para construir sus balnearios. Su aprovechamiento se divide entre instalaciones de baja y de alta temperatura. Las primeras se utilizan para el calentamiento de agua sanitaria o de viviendas, y las segundas, para producir electricidad a través de generadores y turbinas de vapor.
Actualmente se cree que la producción geotérmica de calor equivale al 40% del flujo medio de calor continental en la superficie de la Tierra. El resto, al igual que los flujos de calor en el fondo de los océanos, puede deberse a la refrigeración asociada al calor almacenado en el interior de la Tierra. La temperatura del subsuelo presenta variaciones asociadas con la magnitud del flujo calorífico y de la capacidad calorífica o, en general, con las propiedades térmicas de los materiales.
Han sido las concentraciones de energía geotérmica en forma de vapor las que han atraído la mayor atención como fuentes de energía hasta el presente. No obstante, la presencia de manantiales térmicos o de depósitos de vapor subterráneos está limitada a muy pocos lugares. Los almacenamientos que contienen agua sobrecalentada son probablemente más comunes, pero son difíciles de detectar a partir de datos geológicos.
Probablemente, los almacenamientos de calor más comunes son los denominados rocas secas, depósitos con temperaturas superiores a las medias. También un determinado número de depósitos a elevada temperatura se presentan asociados a los sistemas volcánicos, en forma de bolsas de lava y cámaras de magma. Es evidente que el flujo calorífico medio que varía suavemente desde el interior de la Tierra, es una fuente de energía renovable. Sin embargo, los depósitos o almacenamientos de calor a temperaturas anormales pueden no ser lo suficientemente grandes en relación a su posible uso de manera que su renovabilidad dependería de la velocidad de extracción del calor almacenado. Se ha estimado que la producción de energía eléctrica a partir de yacimientos de vapor geotérmico en lugares donde el vapor está disponible para tal uso, sería posible a la largo de un período de más o menos cincuenta años.
Se ha estimado que la cantidad total de energía geotérmica almacenada en agua o vapor hasta una profundidad de 10 km es de 4 x 1021 J, de la cual entre 1 y 2 x 1020 J sería capaz de generar vapor por encima de los 200°C.
