Embed Size (px)
Citation preview
TEMA 3: Interacción de la radiación solar con la superficie de la Tierra y la atmósfera
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: Caso 1.
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: Caso 2.
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera.
TEMA 3: Interacción de la radiación solar con la superficie de la Tierra y la atmósfera
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico sencillo: primer caso
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico sencillo: segundo caso.
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera.
1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético. • Radiación electromagnética
• Es un tipo de energía que se propaga como un conjunto de ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz.
• Estas ondas están compuestas por la superposición de dos campos, uno eléctrico y otro magnético.
• No necesitan un medio material para propagarse.
• Cuando estas ondas son absorbidas por un medio material, liberan energía que incrementa la temperatura del mismo.
1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético. • Radiación electromagnética
• Caracterizadas por:
• una longitud de onda (λ): distancia entre dos crestas consecutivas
• Frecuencia (υ)
• Periodo (T)
• La velocidad de la onda cumple; c= λ· υ
1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
• Espectro electromagnético: distribución energética del conjunto de ondas electromagnéticas.
• La franja del espectro: (400-750)nm es la que puede ver el ojo humano luz visible (la longitud de onda viene a ser del orden de la centésima parte del diámetro de un cabello humano)
• Dentro del visible:
• Longitudes de onda mas largas asociadas al rojo
• Longitudes de onda mas cortas asociadas al violeta
• Por debajo de λ=400nm ultravioleta
• Por encima de λ=750nm infrarrojo
• En términos de energía: cuanto mayor es λ, menos es la energía de la onda
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico sencillo: primer caso
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico sencillo: segundo caso.
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera.
2) Leyes de la Radiación
• Concepto de cuerpo negro• Un cuerpo negro es un cuerpo ideal que se comporta como un absorbente
perfecto (absorbe toda la radiación que le llega) y emisor perfecto (emite la máxima radiación posible a su temperatura T).
2) Leyes de la Radiación
• Ley de Planck• La intensidad de radiación emitida por un cuerpo negro en equilibrio
termodinámico depende de la longitud de onda y de su temperatura y viene dada por la expresión:
12
5
1
T
c
e
cB
• Todo cuerpo con una temperatura T emite radiación, pero esa
emisión no es monocromática, sino que abarca un amplio rango
de longitudes de onda.
• La energía total emitida vendría representada por el área de
debajo de la curva:
• Cuanto mayor es T mayor es la energía total emitida
• La longitud de onda del pico de máxima intensidad disminuye
conforme T aumenta.
2) Leyes de la Radiación
• Ley de Planck• Espectro de emisión del Sol según la Ley de Planck
2) Leyes de la Radiación
• Ley de Planck• Espectros de emisión del Sol y la Tierra según la Ley de Planck
• El Sol emite
fundamentalmente en
longitudes de onda menores
a 2µm radiación de onda
corta
• La mayor parte de la
radiación terrestre cae
dentro del intervalo (5-35)µm
radiación de onda larga
2) Leyes de la Radiación
• Ley de Stefan – Boltzmann• La energía total que por unidad de tiempo y de superficie (irradiancia o
densidad de flujo) emite un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura.
• T es la temperatura de emisión y representa la temperatura a la que tiene que llegar un cuerpo negro para lograr el equilibrio termodinámico.
• Se obtiene integrando la ley de Planck representa el área por debajo de la curva de la ley de Planck
• Principales conclusiones:• Cuanto mayor sea la temperatura de emisión T (en K) del cuerpo mayor es la
cantidad de energía que por unidad de tiempo y de superficie emite.
• Todo cuerpo con T>0K emite radiación electromagnética.
4)( TTE
2) Leyes de la Radiación
• Ley de desplazamiento de Wien• La longitud de onda del máximo de emisión es inversamente proporcional a la
temperatura del cuerpo negro.
• La longitud de onda hay que introducirla en micras y la temperatura en kelvin
• Principales conclusiones:
• Cuanto mayor es la temperatura T de un cuerpo negro, menor es el valor de la longitud de onda del máximo.
• Sol: T=6000k - Introduciéndolo en la Ley de Wien λ=0.5 µm
• Tierra: T=288K – Introduciéndolo en la ley de Wien λ=10 µm
• Conociendo el espectro de emisión de un cuerpo, se puede determinar cuál es la longitud de onda del máximo de emisión y, a partir de ahí, su temperatura.
T
2897max
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: Caso 1
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: Caso 2
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo• Objetivo: determinar la temperatura promedio global de la superficie
del planeta basándonos en la utilización de modelos heurísticos de equilibrio radiativo sencillos.
• Un modelo heurístico es un esquema teórico de un sistema que facilita su estudio y compresión.
• La temperatura promedio global del planeta es de 15ºC aproximadamente. Esta temperatura se ha mantenido aproximadamente constante a lo largo del tiempo. Esto implica que:
energético
equilibrioecuación
SuperficieTiempo
totalEnergía
SuperficieTiempo
totalEnergía
erficielaemite
erficielaaLlega
_
·
_
·
_
sup_
sup__
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: Caso 1
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: Caso 2
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.1 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 1
Hipótesis de partida• La atmósfera es transparente a la radiación solar y a la radiación emitida por la superficie
de la Tierra
• No considera flujos de energía no radiativos (no considera la existencia de flujos de calor sensible y latente)
• El albedo planetario es del 30%
?
energético
equilibrioecuación
SuperficieTiempo
totalEnergía
SuperficieTiempo
totalEnergía
erficielaemite
erficielaaLlega
_
·
_
·
_
sup_
sup__
BoltzmannStefan
erficie
erficielaemite
TSuperficieTiempo
totalEnergía
4
sup
sup_
··
_
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.1 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 1Cálculo de
• Luminosidad del sol: energía que por unidad de tiempo emite el sol: Lo=3.9·10^26W
• Constante solar: . So = 1367W/m^2
erficielaaLlegaSuperficieTiempo
totalEnergía
sup__·
_
2
00
4 TSd
LS
2
0
sup__
1_
RSTiempo
totalEnergíap
erficielaaLlega
4
)-So·(1
R4
)-·(1 RSo·
erficietiempo·Sup
Energía p
2
p
2
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.1 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 1
Hipótesis de partida• La atmósfera es transparente a la radiación solar y a la radiación emitida por la superficie
de la Tierra
• No considera flujos de energía no radiativos (no considera la existencia de flujos de calor sensible y latente)
• El albedo planetario es del 30%
energético
equilibrioecuación
SuperficieTiempo
totalEnergía
SuperficieTiempo
totalEnergía
erficielaemite
erficielaaLlega
_
·
_
·
_
sup_
sup__
BoltzmannStefan
erficie
erficielaemite
TSuperficieTiempo
totalEnergía
4
sup
sup_
··
_
4
)-So·(1
erficietiempo·Sup
Energía p
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.1 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 1
Hipótesis de partida• La atmósfera es transparente a la radiación solar y a la radiación emitida por la superficie
de la Tierra
• No considera flujos de energía no radiativos (no considera la existencia de flujos de calor sensible y latente)
• El albedo planetario es del 30%
4
0
sup4
1
p
erficie
ST
CKT erficie º18255sup
40
4
)1·(e
pT
S
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.1 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 1Hipótesis de partida
• La atmósfera es transparente a la radiación solar y a la radiación emitida por la superficie de la Tierra
• No considera flujos de energía no radiativos (no considera la existencia de flujos de calor sensible y latente)
• El albedo planetario es del 30%__________________________________________________________________• Resultado:
• El valor de la temperatura superficial obtenido (-18ºC) a través de este modelo heurístico sencillo es mucho menor que la media global observada de 15ºC. El origen de esta diferencia radica en el hecho de no haber considerado la existencia de una atmósfera constituida por gases efecto invernadero que absorben la radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra (efecto invernadero).
CKT erficie º18255sup
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo• Comparación con otras atmósferas planetarias del sistema solar
4
0
sup4
1
p
erficie
ST
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: primer caso
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: segundo caso.
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.2 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 2Hipótesis de partida
• La atmósfera es transparente a la radiación solar pero opaca a la radiación emitida por la superficie de la Tierra
• Los gases de la atmósfera que absorben la radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra y la reemiten en todas las direcciones del espacio
• No considera flujos de energía no radiativos (flujos de calor sensible y latente)
• El albedo planetario es del 30%
energético
equilibrioecuación
SuperficieTiempo
totalEnergía
SuperficieTiempo
totalEnergía
erficielaemite
erficielaaLlega
_
·
_
·
_
sup_
sup__
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.2 Modelo heurístico de equilibrio radiativo: caso 2
• Balance de energía en superficie:
• Balance de energía en la atmósfera:
energético
equilibrioecuación
SuperficieTiempo
totalEnergía
SuperficieTiempo
totalEnergía
erficielaemite
erficielaaLlega
_
·
_
·
_
sup_
sup__
)1(14
440
SAp TTS
)2(444
AAS TTT
CKS
TS
TTS
TTS
p
S
p
SSp
SSp
º303032
1
2
1
2
11
4
2
11
4
400440
440
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.2 Modelo heurístico de equilibrio radiativo:
caso 2
CCK
ST
p
S º15º303032
14
0
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo
3.2 Modelo heurístico de equilibrio radiativo
caso 2
Motivos del exceso de temperatura:
(1) Ventana atmosférica
(2) Existencia de flujos de calor latente y sensible
CCK
ST
p
S º15º303032
14
0
• ObjetivoEntender por qué la Tierra tiene un temperatura promedio global moderada que permite su habitabilidad, y el papel que en ello tiene el efecto invernadero.
• Contenidos1) Radiación electromagnética. Espectro electromagnético.
2) Leyes de la radiación electromagnética.
3) Modelos heurísticos de equilibrio radiativo.
3.1) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: primer caso
Comparación de la atmósfera terrestre con otras atmósferas
3.2) Modelo heurístico de equilibrio radiativo: segundo caso.
Efecto invernadero natural.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera.
4) Dispersión de la radiación solar en la atmósfera
Scattering: dispersión de la luz en todas las direcciones del espacio como consecuencia de la presencia de moléculas gaseosas o partículas de polvo en suspensión en la atmósfera (dispersión de Rayleigh)
La radiación dispersada se conoce con el nombre de radiación difusa.
La intensidad de dispersión S:
• r es el radio de la partícula y lambda la longitud de onda.
• La intensidad de la dispersión, S, es más intensa cuanto menor es la longitud de onda.
• Si bien las moléculas de aire son muy pequeñas con respecto a la longitud de onda del espectro visible, dentro del visible, las moléculas del aire son mucho mas efectivas dispersando longitudes de onda cortas (azul) que las largas (rojo).
• La dispersión en el azul es 3.45 veces mayor que en el rojo cielo azul
• Atardecer rojo: los rayos atraviesan una capa de atmósfera mas grande primero se dispersa el azul y luego el rojo (que es el último que queda).
4
2
r
S
