radiaciÓn solar y terrestre centro de ciencias de la atmósfera unam
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RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM. 13ago2009 19 UTC. RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE. Espectro electromagnético (emisión, absorción, continuo discreto). Onda corta y onda larga. Absorción de radiación por gases atmosféricos. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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.
C. Gay, Sánchez, O. 3
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?
C. Gay, Sánchez, O. 15
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
C. Gay, Sánchez, O. 18
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
C. Gay, Sánchez, O. 21
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)
C. Gay, Sánchez, O. 27
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
C. Gay, Sánchez, O. 29
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
C. Gay, Sánchez, O. 30
Piranómetro (Global)
Piranómetro (difusa)
C. Gay, Sánchez, O. 31
Pirradiómetro
(Total o Flujo neto)
Pirheliómetro
(Directa)
C. Gay, Sánchez, O. 32
C. Gay, Sánchez, O. 33
C. Gay, Sánchez, O. 34
C. Gay, Sánchez, O. 35
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:
C. Gay, Sánchez, O. 36
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
C. Gay, Sánchez, O. 38
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)
C. Gay, Sánchez, O. 40
http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter1/vert_temp_all.html
Perfil vertical de temperatura
C. Gay, Sánchez, O. 41
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.