Radiación Solar

Radiación SolarUna medida de la energía procedente del Sol la constituye la constante solar, Se denomina así a la energía que por unidad de tiempo, se recibe fuera de la atmósfera terrestre sobre la unidad de superficie perpendicular a la dirección de los rayos solares en su distancia media, el valor que se admite actualmente es de : I=1354 W/m2 que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m2 y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m2.

Agm620 – Instrumental Agm620 – Instrumental meteorologicometeorologico

Radiación SolarIrradiancia- Es la potencia incidente por unidad de superficie, medida en W/m2 (valor medio en una hora)Irradiación- Es la energía incidente por unidad de superficie en un determinado período de tiempo y se mide en J/m2. (aunque la irradiáncia y la Irradiación son magnitudes físicas distintas, coinciden numéricamente cuando la unidad de tiempo es la hora. La irradiación puede medirse po ejemplo en J/m2 año)Radiación directa- Es la radiación que corresponde al ángulo sólido limitado por el disco solar sin tener en cuenta la dispersión atmosférica.Radiación difusa- Corresponde a la radiación solar dispersada por los diferentes componentes de la atmósfera.Radiación reflejada- Es la radiación reflejada por el suelo (albedo)Radiación total- Es el resultado de todas ellas (cuando la medida de la radiación se realiza sobre una superficie horizontal no se tiene en cuenta la reflejada, en este caso a la suma de la directa y la difusa se la denomina Radiación global.


Radiación SolarRadiación solar media recibida en superficie, expresada en W/m2. Oscila entre un máximo de unos 275 W/m2 en las regiones despejadas de nubosidad del Sahara y Arabia, hasta un mínimo de 75 W/m2 en las islas brumosas del Ártico. La media global es de 170 W/m2.


Radiación SolarLa distribución espectral de la intensidad de radiación extraterrestre solar cubre una banda de frecuencias que va desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. pasando por la luz visible. El gráfico de la Figura 6.1, da una idea de la distribución espectral (línea 1).


Radiación SolarSe compara la intensidad de la radiación solar directa al nivel del mar y a 35 ° de altura del Sol sobre el horizonte (línea 2). La línea 3 muestra la intensidad de la radiación terrestre de onda larga, suponiendo que la temperatura de la superficie de la Tierra es de 20 °C. Alrededor del 99 por ciento de la radiación emitida por el Sol, suponiendo que tiene una temperatura de superficie de 5800 °K. se ubica en la gama que va de 0.15 a 4.0 m.Casi el 45% de la emisión solar total se produce en la banda visible y otro tanto, en la infrarroja. Alrededor del 9% se produce en la banda ultravioleta.


Radiación SolarLa radiación de la Tierra hacia el espacio se halla en la gama que va de 4 a 100 m (micrómetros) (temperatura de alrededor de 200 a 300 °K), con un máximo en alrededor de 10 m. Esta radiación es conocida como radiación terrestre.


Radiación SolarPara tener capacidad de medir radiación, el sensor del instrumento debe ser un buen absorbedor de energía radiactiva. Para pintar la superficie absorbente del sensor, se utiliza una clase especial de laca negra. Un cuerpo hipotético que absorba completamente toda la radiación incidente se designa como "cuerpo negro". En la naturaleza no se encuentran absorbedores perfectos de radiación en toda la gama de longitudes de onda. Los sensores de los instrumentos de radiación, con su superficie pintada especialmente, se aproximan mucho a un cuerpo negro para medir la banda de ondas en que son empleados. Los buenos absorbedores de radiación también son buenos emisores de radiación.


Radiación SolarEl cuerpo negro hipotético emite radiación en toda longitud de onda de acuerdo a la ley:


4T σTE

= 5.67 x 10-8 Wm -2 K-4 (constante de Stefan - Boltzmann);

T = temperatura en kelvin.

Radiación SolarLa emisión del cuerpo negro, calculada con la anterior

fórmula para varias temperaturas Celsius, se detalla como sigue (Cuadro 6.1):

Cuadro 6.1 Emisión de un cuerpo negro para diferentes temperaturas

Agm620 – Instrumental meteorologicoAgm620 – Instrumental meteorologico

T [Celsius]

-60.0 -40 -20 0 20 40 60

Et [Wm-2] 119 168 237 321 426 551 712

Radiación SolarLas siguientes componentes de radiación solar que penetran

las capas inferiores de la atmósfera están sujetas a medición para fines meteorológicos:

a) Radiación solar directa medida a incidencia normal.b) Radiación solar global recibida sobre una superficie

horizontal. Esto incluye tanto la radiación recibida desde el ángulo sólido delimitado por del disco solar, como la radiación difusa por la atmósfera que interviene.

c) Radiación difusa, esta es la segunda componente de la radiación global ya mencionada anteriormente.

d) Radiación solar reflejada.e) Radiación solar (directa, global y difusa) medida en

porciones restringidas del espectro.f) Medición de la radiación solar que cae sobre una superficie

esférica.g) Medición de la radiación solar que cae sobre una

determinada superficie no horizontal.Del total de las siete componentes de radiación solar

enumeradas, las (a), (b), (c) y (e) son de interés más general.


Radiación SolarUnidades de medida.

Las unidades corresponden al Sistema Internacional (SI). Para las variables meteorológicas de la radiación se recomiendan las siguientes. unidades:

Para magnitudes totales (integradas sobre el intervalo completo de longitudes de onda):

Irradiancía: vatios por metro cuadrado (W m-2)Exposición radiante: julios por metro cuadrado (J m-2)

Para magnitudes espectrales:Irradiancia espectral: vatios por metro cuadrado por nanómetro (W m-2 nm-1)Exposición radiante: julios por metro cuadrado por nanómetro (J m-2 nm-1)

De acuerdo con las recomendaciones del SI, también pueden emplearse los múltiplos y submúltiplos (potencias de l03) de cada una de estas unidades (... G, M, k, m, , n...).


Radiación SolarCuadros 6.2 y 6.3 figuran los factores de conversión de las diferentes

unidades.Cuadro 6.2 Conversión de diferentes unidades de irradiancia.


Irradiancia Para convertir en Wm-2

multiplicar por:

mW cm-2 10.0

kW m-2 1000.0

cal cm-2

mm'696.8

mcal cm-2 s-1 41.868

Btu ft-2 h-1 3.153

Btu ft-2 min-1 189.2

Radiación SolarCuadro 6.3 Conversión de diferentes unidades de exposición radiante


Exposición radiante Para convertir en W m-2 multiplicar por:

J cm-2 10000,0

Cal cm-2 41868.0

kcal cm-2 4186.8

Btu ft-2 11351.0

Radiación SolarClasificación de Instrumentos de Radiación.clasificación internacionalmente aceptada de Instrumentos de

Radiación:Pirheliómetro es un instrumento para medición de la radiación solar directa a incidencia normal. Estos son pirheliómetros primarios (patrón) y pirhe liómetros secundarios, calibrados por referencia a uno primario.Piranómetro es un instrumento para medición de la radiación solar que emana de todo un hemisferio. Se utiliza para mediciones de radiación global y, junto con una pantalla circular, para mediciones de radiación celeste.Pirgeómetro es un instrumento para medición de la radiación atmosférica neta sobre una superficie negra horizontal orientado hacia arriba, a la temperatura del aire ambiente.Pirradiómetro es un instrumento para medir la radiación solar y terrestre. Un pirradiómetro neto es un instrumento para medir el flujo neto de ra diación total hacia abajo y hacia arriba, a través de una superficie horizontal.


Radiación Solar

Muchos instrumentos de radiación incorporan termopilas como elementos sensibles, y miden la salida como pequeñas fuerzas electromotrices. Los instrumentos de medición que se utilizan dependen de la gama esperada de señales, de los requisi tos relativos a exactitud y sensibilidad, y de la resistencia de entrada del instrumento de medición. Para mediciones instantáneas, a menudo son preferidos los poten ciómetros portátiles, y para trabajos menos precisos, el sensor del instrumento se puede conectar a un milivoltímetro (microamperímetro) del tipo de aguja indi cadora. Para registros continuos se utilizan, ya sea milivoltímetros registradores, o potenciómetros electrónicos autobalanceados.


Radiación Solar6.4 Instrumento de medición de la Radiación Solar Directa.

La radiación solar directa se mide con los pirheliómetros, cuyas superficies sensibles son expuestas normalmente a los rayos del Sol. Con el uso de diafragmas se miden solamente la radiación del disco solar y una muy pequeña corona circular del cielo. Los instrumentos se apuntan hacia el Sol usando un dispositivo auxiliar y se ajustan en acimut y elevación mediante un mecanismo especial.Los registros continuos con instrumentos de radiación solar directa son posibles gracias a un montaje ecuatorial accionado por motor que tiene capacidad de seguir la «rotación alrededor de la Tierra» del Sol, con gran precisión.


Radiación Solar6.4.1 Pirheliómetro de Yanishevsky.

Es un pirheliómetro basado en un principio termoeléctrico con una termopila en estrella, y una sensibilidad de alrededor de 0.1 mV por mW cm-2. La abertura del instrumento es de alrededor de 10 °, y su tiempo de respuesta completa de alrededor de 30 s.


Radiación Solar6.4.2 Pirheliómetro de Moll-Gorczynsky.

El pirheliómetro de Moll-Gorczynsky es un instrumento termoeléctrico que usa una termopila de manganina - constantan, actualmente de uso limitado. El dis positivo indicador es un milivoltímetro de aguja.


Radiación Solar

Algunos de los pirheliómetros (de Angström, disco de plata) son apropiados sólo para mediciones puntuales de la radiación solar directa. Otros (cualquier instrumento sensor de termopila) pueden utilizarse para un registro continuo de la radiación, a condición de que la señal sea aplicada a la entrada de un instrumento registrador (habitualmente un potenciómetro electrónico), y que el pirheliómetro mismo sea dirigido sobre el disco solar durante el día.


Radiación Solar

El equipo auxiliar para seguir al disco solar durante su travesía por el cielo se conoce como montaje ecuatorial (Figura 6.2). El dispositivo es activado eléctricamente, o por un mecanismo de relojería. Mediante un dispositivo reductor de engranajes, la rotación del eje al cual se encuentra sujeto el pirheliómetro se produce a una velocidad constante, siguiendo el movimiento del Sol. El eje de rotación es perpendicular al plano del ecuador celeste. El eje necesita ser ajustado diariamente a medida que cambia la declinación del Sol.


Radiación Solar6.5 Instrumentos de la medición de la Radiación Solar total (Global).

La medición de la radiación total del Sol y el cielo es de la mayor utilidad, y generalmente se toma sobre un área unitaria de una superficie horizontal e integrada en un periodo de tiempo. Esta cantidad está sujeta a variaciones amplias y rápidas y los valores instantáneos a menudo no son representativos. El registro y la integración de la radiación total son aspectos de la medición de esta componente de la radiación.El instrumento principal para la medición de la radiación total es el piranómetro. Generalmente es un instrumento expuesto a todas las condiciones climáticas, permanentemente instalado en el sitio de observación.El sensor está protegido por un domo de vidrio, y debido a que el funcionamiento del instrumento depende mucho de la condición de la cubierta protectora, las mediciones con un piranómetro requieren inspecciones frecuentes (por lo menos una por día).


Radiación Solar6.5.1 Piranómetro Eppley.

Del piranómetro Eppley hay disponibles dos versiones: el de dieciséis uniones, y el piranómetro Eppley de 180° de cincuenta uniones. Las uniones termoeléctricas están hechas de aleaciones de oro - paladio y de platino - rodio, respectivamente. En cada instrumento, las uniones calientes están en buen contacto térmico, pero no eléctrico, con el anillo de plata concéntrico interior, ennegrecido con negro de Parson. Las uniones frías están en buen contacto térmico, no eléctrico, con el anillo de plata concéntrico exterior, pintado de blanco con óxido de magnesio.



El diámetro total de la superficie receptora es de 29 mm. El disco de soporte central se halla a nivel con el sensor y blanqueado de forma similar (Figura 6.4).El conjunto de anillos concéntricos está sellado herméticamente dentro de una ampolla de vidrio óptico de soda y cal, de 75 mm de diámetro. La ampolla protectora se encuentra llena de aire seco.



Tanto los receptores blancos como los negros tienen similares propiedades de absorción en lo que concierne a la radiación de onda larga, lo que minimiza el efecto de la radiación de onda larga de la esfera de vidrio. Con respecto a la radiación solar de onda corta, el anillo blanco posee una reflectividad alta, mientras que el negro tiene una alta absorción. Esto determina una buena respuesta de tensión cuando se expone a la radiación solar, respuesta que es lineal dentro de la gama de medición.



La sensibilidad del modelo de diez uniones es de alrede dor de 2.0 mV por 698 Wm-2 (resistencia alrededor de 30 a 40 ); el modelo de cincuenta uniones tiene una sensibilidad de alrededor de 7 a 8 mV por 698 Wm-2 y una resistencia de alrededor de 100 . El tiempo de res puesta para el 99 por ciento de la señal de salida es de alrededor de 30 s, y su dependencia de la temperatura se ubica dentro de la gama de -0.06 a -0.12 % por grado Celsius


Radiación Solar6.5.2 Piranómetro de Moll-Gorczynsky.

El sensor del piranómetro de Moll-Gorczynsky consta de catorce uniones termoeléctricas de manganina, constantan dispuestas en forma de rectángulo, de aproximadamente 14 x 10 mm (Figura 6.5). Las uniones calientes se alinean a lo largo de la mitad de la superficie receptora, la cual esta pintada de negro.



La superficie receptora rectangular del instrumento va montada al mismo nivel de la carcasa metálica, que esta cromada por fuera. El sensor está protegido de las condiciones atmosféricas por un domo de vidrio doble, siendo cada hemisferio de 2 mm de espesor y de diámetros externos de 30 y 50 mm respectivamente. Las esferas están selladas por una serie de estrías en la parte superior del instrumento.El instrumento esta provisto de un desecador o deshidratante y un disco de resguardo para impedir que la radiación afecte las uniones desde abajo.




Radiación Solar6.5.2 Piranómetro de Moll-Gorczynsky. La sensibilidad del sensor es de 7 a 8 mV por 698

Wm-2 y la resistencia aproximadamente de 10 . El 99% del tiempo de respuesta es de alrededor de 15 s.


Radiación Solar6.5.2 Piranómetro de Moll-

Gorczynsky. Un modelo fabricado por Kipp y

Zonen, conocido como el solarímetro CM-6, tiene las siguientes características:Gama de transmisión de los domos de vidrio - 300 nm a 2.5 m;Sensibilidad de alrededor de 8 mV por 698 Wm-2 (115 mV por Wcm-2);Resistencia interna alrededor de 10 ;Mayor exactitud que el 1%;Mejor linealidad que el 1% sobre la gama total;Coeficiente de temperatura de 0,15% por grado Celsius;El 99% del tiempo de respuesta de alrededor de diez segundos.


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