¿Por qué la Tierra se enfría durante la noche?

Emite radiación infrarroja al espacio.

Esto sucede constantemente, no solo durante la noche, sino que durante el día el flujo neto de energía es positivo porque la cantidad de energía proveniente del Sol es mucho mayor.

Las cosas se complican un poco por la atmósfera, lo que significa que la mayor parte de la radiación emitida desde el suelo no llega al espacio de inmediato, sino que primero es absorbida por la atmósfera y luego reemitida al espacio.

Además, parte de la energía se transporta primero a la atmósfera por evaporación y condensación antes de ser irradiada por ella.

Si quieres saber más, esta explicación introductoria de la NASA tiene buena pinta.

En la imagen (tomada del sitio web de la NASA que vinculé arriba): mapa satelital que muestra la distribución de la radiación infrarroja térmica emitida por la Tierra en septiembre de 2008) .

La superficie de la Tierra y la atmósfera están en contacto térmico con el espacio exterior, siendo el mecanismo de transferencia de calor la radiación. El sistema Tierra-atmósfera pierde constantemente calor por este mecanismo. De hecho, este es el mecanismo predominante que establece la temperatura de la superficie de un planeta sin atmósfera: un planeta de radio$R_\oplus$sin atmósfera e iluminada por una estrella con luz de intensidad$I$alcanzará el equilibrio térmico a la temperatura$T$estado cuando los flujos de calor radiante entrantes y salientes son iguales:

donde el lado derecho expresa la transferencia radiativa descrita por la ley de Stefan-Boltzmann (despreciando el ángulo sólido subtendido por el Sol),$\sigma$es la constante de Stefan-Boltzmann la$T_{CMBR}\approx 2.7{\rm K}$es la temperatura de radiación de microondas de fondo cósmico, la "temperatura del espacio exterior". Al resolver (1) para$I = 1200{\rm W\,m^{-2}}$(el poder por el cual el Sol ilumina la Tierra) obtenemos$T = 270{\rm K}$. Para la Tierra, un cálculo más cuidadoso tiene en cuenta el albedo de la Tierra ( es decir , la proporción de la radiación incidente que se refleja directamente en el espacio y nunca se convierte en calor; la temperatura de un orbe perfectamente reflectante en el espacio no se vería afectada en absoluto por radiación entrante y no absorbería ni irradiaría, manteniéndose en cualquier temperatura inicial). Esto baja el resultado. Otra fuente de discrepancia es el efecto invernadero, que anula con creces el efecto del albedo de una Tierra sin atmósfera. Pero puede ver que el resultado está en el vecindario correcto para las temperaturas de la Tierra.

Durante la noche, cuando no hay luz solar que caliente la atmósfera y el suelo, la superficie y la atmósfera de la Tierra tienden hacia la temperatura del espacio exterior.$T_{CMBR}$. La inercia térmica del aire y de la superficie de la Tierra significa que, por supuesto, la noche no es lo suficientemente larga como para que la temperatura caiga a algo parecido a$T_{CMBR}$pero, como usted nota, cae parte del camino y nuestras noches son, por lo tanto, más frescas.

Aunque no tienen una resolución tan alta como sería ideal, el sitio web de meteoblue parece ofrecer meteogramas razonables para estaciones de todo el mundo que muestran los componentes de energía...

^{_{(Pronóstico de balance de energía de muestra, copyright meteoblue)}}

En la sección de radiación (la parte inferior de los muchos gráficos), puede ver:

• La radiación solar entrante (SW abajo)... energía del sol que calentará el suelo. Un proceso solo durante el día.
• El calor sensible ... que es la conducción+convección hacia la atmósfera que mencionaste, y será un proceso de enfriamiento para el suelo... básicamente, el suelo calienta directamente el aire justo encima de él (conducción) y eso lleva a térmicas/mezcla (convección). Básicamente, un proceso solo durante el día.
• El calor latente ... un factor que a menudo se pasa por alto y que puede ser sorprendentemente significativo en lugares como Florida (donde yo estoy). La energía se gasta en la evaporación del agua... y esa energía luego se libera a la atmósfera cada vez que el vapor finalmente se condensa (o deposita ). Así que es un proceso que también elimina energía de la superficie (enfriándola). Básicamente, un proceso solo durante el día (resulta en aumentos de temperatura diurnos menos drásticos en entornos marítimos que en los desiertos).
• La radiación de onda larga ascendente (LW up)... la Tierra emite radiación continuamente como lo hacen todos los cuerpos con cualquier temperatura ... la mayor parte en longitudes de onda más largas que el sol debido a la temperatura más fría aquí en comparación con allí (de ahí el nombre). Esta es una liberación continua de energía las 24 horas del día, los 7 días de la semana que solo varía un poco a medida que cambia la temperatura... y es un proceso de enfriamiento.
• La radiación descendente de onda larga (LW down)... los constituyentes de la atmósfera absorben energía (la mayor parte de la cual es energía de onda larga de la Tierra), la calientan y luego vuelven a emitir la energía como sus propios radiadores. Una parte de esto regresa a la Tierra. Los reemisores más predominantes son los gases de efecto invernadero ($H_2O$,$CO_2$, metano, etc) y nubes (pequeña contribución también de aerosoles (partículas sólidas en la atmósfera)). Esto ocurrirá las 24 horas del día, los 7 días de la semana, aunque variará un poco dependiendo de la cobertura de nubes, y es un proceso de calentamiento neto para la Tierra.

Por lo general:
durante el día, la luz del sol aporta energía, y el calor latente (evaporación) y el calor sensible (conducción/térmicos) también aumentan, disipando parte de la rápida ganancia de energía. Luego, durante la noche, realmente solo tenemos radiación de onda larga como factor... una gran parte de la cual regresa a la Tierra.

En áreas más áridas, hay menos calor latente durante el día (por lo que se calienta más rápido), menos LW durante la noche (debido a la menor cantidad de vapor de agua) (por lo que se enfría más rápido) y, por lo tanto, fluctuaciones más grandes en general. Lo contrario es cierto para las regiones marítimas.

En los días nublados hay menos radiación solar, pero más LW hacia abajo. El día calienta menos, pero la noche enfría menos. Tan pequeñas fluctuaciones en general.

De hecho, algo de energía es conducida (y emitida) hacia abajo en la Tierra. Pero debe ser un proceso equilibrado a largo plazo ( una mezcla de oscilaciones principalmente diurnas y anuales dentro de los primeros metros )... de lo contrario, si el subsuelo siguiera ganando energía en general, haría que continuara calentándose. Del mismo modo, una cantidad muy pequeña de energía se proporciona a la superficie de la conducción (y emisión) de la energía que emana dentro de la Tierra (debido a la desintegración radiactiva). Sin embargo, es una pequeña cantidad ( Wikipedia lo cita como 0,027% del presupuesto total ).

Este gráfico y este artículo de Wikipedia asociado brindan una descripción más amplia de todas las vías de intercambio de energía que ocurren dentro de la atmósfera de la Tierra y sus escalas típicas. Para extender eso completamente a través de la superficie, solo necesita agregar los pequeños componentes de radiación/conducción dentro y fuera del subsuelo.