RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM

C. Gay, Sánchez, O. 1

RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE

Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM

13ago2009 19 UTC

C. Gay, Sánchez, O. 2

RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTREEspectro electromagnético (emisión, absorción, continuo discreto). Onda corta y onda larga.

Absorción de radiación por gases atmosféricos.

Energía radiante. Conceptos y definiciones.

Flujo e intensidad. Ley de Beer.

Generalidades de la interacción radiación - materia.

Leyes generales de la radiación. Ley de Planck. Cuerpo negro.

Ley de Wien. Ley de Stefan Boltzman.

Leyes de Kirchhoff. Cuerpo gris.

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Balance de radiación global planetaria.

Radiación solar reflejada y de onda larga saliente.

Radiación de onda corta media mensual

Radiación de onda larga media mensual

Radiación global (neta) media mensual.

Balance detallado de radiación global planetaria.

Espectro de absorción en el océano.

Medición de la radiación atmosférica (directa y difusa).

Aparatos para medir radiación atmosférica.

Cont …

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Espectro Electromagnético

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/spectrum.html

Continuo? Discreto? Emisión? Absorción?

E = h = hc/ h= 6.63x10-34 J seg

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Espectros de absorción y emisión del H2 (2)

http://www.astronomynotes.com/light/s5.htm

C. Gay, Sánchez, O. 6http://www.electro-optical.com/bb_rad/emspect.htm

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Spectrum of Electromagnetic Radiation

Region Wavelength(Angstroms)

Wavelength(centimeters)

Frequency(Hz)

Energy(eV)

Radio > 109 > 10 < 3 x 109 < 10-5

Microwave 109 - 106 10 - 0.01 3 x 109 - 3 x 1012 10-5 - 0.01

Infrared 106 - 7000 0.01 - 7 x 10-5 3 x 1012 - 4.3 x 1014 0.01 - 2

Visible 7000 - 4000 7 x 10-5 - 4 x 10-5 4.3 x 1014 - 7.5 x 1014 2 - 3

Ultraviolet 4000 - 10 4 x 10-5 - 10-7 7.5 x 1014 - 3 x 1017 3 - 103

X-Rays 10 - 0.1 10-7 - 10-9 3 x 1017 - 3 x 1019 103 - 105

Gamma Rays < 0.1 < 10-9 > 3 x 1019 > 105

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/spectrum.html

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C. Gay, Sánchez, O. 9http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/emspectrum.html

Radiación en la superficie de la Tierra

C. Gay, Sánchez, O. 10Peixoto, J.P., Oort, A.H. 1991

ABSORCIÓN POR GASES ATMOSFÉRICOS

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C. Gay, Sánchez, O. 12

Conceptos y Leyes Básicos de la Radiación

Intensidad espectral o radiancia: 1-12- Hz srmW

dν dωdt dA cosθEd

I4

ν

1-2- Hz mW

dνdt dA

EdF

3

ν

Flujo espectral o irradiancia:

dA

r

d

n̂

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Ley de Extinción de Radiación(Ley de Beer o de Beer-Bouguer-Lambert)

dsIkdI ννν Coeficiente de extinción

I(s=0) I(s=s1)ds

s1

Camino físico

)exp(I)kexp(II oo1

0 ds

s

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Ley de Distribución Espectral de Planck: El flujo radiativo (o radiacional) espectral hemisférico de un cuerpo negro está dado por:

EXTINCIÓN = DISPERSIÓN + ABSORCIÓN

¿qué le puede pasar a un fotón cuando interacciona con la materia?

F = B¿Qué es un cuerpo negro?

¿Qué características tiene la radiación que emite? ¿Qué es el equilibrio termodinámico?

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Donde B es la función de Planck dada por:

1)(e

2hνcm

(T)B T/kh

3

2r

ν B

Límite de Wien: h/kBT » 1 Altas energías

Límite de Rayleigh – Jeans: h/kBT « 1 Bajas energías

mr=parte real del índice de refracción, h=constante de Planck c=velocidad de la luz, n=frecuencia, kB=constante de Boltzmann

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Función de Planck

http://www.astronomynotes.com/light/s4.htm

C. Gay, Sánchez, O. 17http://www.comet.ucar.edu/class/satmet/schmit/5.html

Escala logarítmica

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Ley de desplazamiento de Wien: max T= 2897.8 (m K)

Sirve para calcular la posición de los máximos de la curva de Planck para

diferentes temperaturas

Ley de Stefan - Boltzmann: F(T)= B T4

B=constante de Stefan-Boltzmann= 5.67x10-8 W

m-2 K-4

Sirve para calcular la temperatura que un objeto adquiere cuando absorbe un determinado flujo de

radiación

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Ley de Kirchhoff aplicada a emisión volumétrica: el coeficiente de emisión térmica

por unidad de volumen está dado por:

¿Qué es un cuerpo gris?

Ley de Kirchhoff para superficies opacas:

(válida estrictamente para una cavidad en equilibrio termodinámico y si la intensidad incidente es uniforme sobre un hemisferio, generalmente no es aplicable para cantidades

integradas angular ni espectralmente)

)TΩ,ε(ν,)TΩ,α(ν,ss

(T)B α(ν)jν

terν

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Balance de Radiación Global Planetaria

“constante” solar So = 1368 W/m2

TIERRA

Incidente R2 So

Emitida 4 R2 B Tef 4

MODELO CLIMÁTICO DE ORDEN 0

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C. Gay, Sánchez, O. 22

Radiación de Onda Corta (media mensual)

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Radiación de Onda Larga (media mensual)

C. Gay, Sánchez, O. 24

Radiación Neta (media mensual)

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Balance Detallado de Radiación Global

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Absorción en el océano Thomas y Stamnes (2002)

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Medición de la Radiación Atmosférica

Solar: Global = Directa + Difusa

Terrestre: sólo difusa

Total: Solar + Terrestre

Instrumentos:

Piranómetro (solarímetro, actinómetro): global y difusa

Pirheliómetro: Solar directa

Pirradiómetro: Total

Energía radiante acumulada diaria por unidad de área: Área bajo la curva de flujo radiante

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Radiación Solar, Atmosférica (W/m2)y Solar Acumulada Diaria (MJ /m2)

ECAC-3 2001

0

200

400

600

800

1000

1200

02-Sep 03-Sep 04-Sep 05-Sep 06-Sep

W/m

2

0

5

10

15

20

25

30

MJ/

m2

Solar Acumulada Solar Atmosférica

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Temperatura de la Superficie del Mar (Satélite y Termosalinómetro) (°C) y Radiación Acumulada Diaria (Solar y

Atmosférica) (MJ/m2) ECAC 2001

26

27

28

29

30

31

32

01-M

ay

08-M

ay

15-M

ay

22-M

ay

29-M

ay

05-J

un

12-J

un

19-J

un

26-J

un

03-J

ul

10-J

ul

17-J

ul

24-J

ul

31-J

ul

07-A

go

14-A

go

21-A

go

28-A

go

04-S

ep

11-S

ep

18-S

ep

25-S

ep

°C

05101520253035404550

MJ/

m2

Solar Acumulada Satélite Termosalinómetro Atmosférica Acumulada

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Piranómetro (Global)

Piranómetro (difusa)

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Pirradiómetro

(Total o Flujo neto)

Pirheliómetro

(Directa)

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C. Gay, Sánchez, O. 33

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Temperatura Efectiva

Si Q es la cantidad total de energía térmica del sistema ENTERO del clima (excluyendo la geotermia)

y:

El calentamiento globalmente promediado es:

TAs FFα)(1NtQ

2R4Q

Qπ

es la energía media integrada por columna, entonces:

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Donde es el forzamiento radiativo medio global igual al flujo neto en el tope de la atmósfera

N

Es la radiación solar absorbida por el planeta, con

= albedo planetario (o esférico) y

= es el flujo promedio de radiación solar que llega a la Tierra

sF

sFα)(1

TAF Es la radiación térmica (onda larga) globalmente emitida al exterior en el tope de

la atmósfera

C. Gay, Sánchez, O. 37

Si caracterizamos la radiación de onda larga saliente por una temperatura efectiva Te (Ley de

Stefan – Boltzmann):

= B Te4TAF

Considerando un promedio adicional del forzamiento radiativo para un periodo razonable de tiempo, suficiente para alcanzar el equilibrio radiativo

planetario, se tendrá:

4

BσFα)(1

Te s

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Efecto Invernadero

Es la diferencia entre la temperatura efectiva y la temperatura media global de superficie de un planeta:

T = Te - Ts

Para la Tierra: ≈ 0.30 = So/4 = 342 W/m2

Ts ≈ 15 °C= 288 K T = 33 K

sF

Para nosotros, Te es la temperatura de un cuerpo sin aire a 1 UA de distancia del Sol, con el mismo

albedo que la Tierra

Más formalmente: G ≡ 2 <B(Ts4 –Te

4) <= media hemisférica del coseno del

ángulo de incidencia (Thomas/Stamnes Cap. 12)

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Completar la tabla:

Planetas

Marte

Tierra

Venus

Irradiancia Solar W/m2

589

1368

2613

Albedo

0.15

0.30

0.75

Te

K

217

255

232

Ts

K

220

288

700

Altura media

radiante

Km

1

5.5

70

Sol - Venus (0.72 UA), Sol- Marte (1.52 UA), Sol – Tierra (1UA=150 x106 km)

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http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter1/vert_temp_all.html

Perfil vertical de temperatura

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Espectro electromagnético (emisión, absorción, continuo discreto).

Onda corta y onda larga.

Absorción de radiación por gases atmosféricos.

Energía radiante. Conceptos y definiciones.

Flujo e intensidad. Ley de Beer.

Generalidades de la interacción radiación - materia.

Leyes generales de la radiación.

El Sol como fuente de radiación electromagnética.

La constante solar.

Flujos radiacionales en la atmósfera.

Trayectoria de los rayos solares en la atmósfera.

Introducción a la transferencia de radiación.