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1 AmbientalAmbiental FísicaFísica FÍSICA AMBIENTAL Tema 5. RADIACIÓN UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA Equipo docente: Antonio J. Barbero García Alfonso.

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1 1 AmbientalAmbiental FísicaFísica FÍSICA AMBIENTAL Tema 5. RADIACIÓN UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA Equipo docente: Antonio J. Barbero García Alfonso Calera Belmonte Pablo Muñiz García José Ángel de Toro Sánchez Departamento de Física Aplicada UCLM

2 CARGA ELÉCTRICA CARGAS ESTÁTICAS CARGAS EN MOVIMIENTO INFLUENCIA SOBRE OTRAS CARGAS + Campo eléctrico + El campo eléctrico almacena energía AmbientalAmbiental FísicaFísica

3 3 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (O.E.M.) O.E.M. Perturbación en el espacio y en el tiempo que transmite energía asociada a un campo eléctrico y a un campo magnético mutuamente perpendiculares. Estos campos oscilan temporalmente en forma sinusoidal a medida que se propagan, y pueden describirse matemáticamente empleando combinaciones de funciones armónicas. Campo eléctrico Campo magnético Ondas transversales Pueden propagarse en el vacío LAS CARGAS EN MOVIMIENTO RADIAN O.E.M. AmbientalAmbiental FísicaFísica

4 4 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (II) PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN UNA O.E.M. FRECUENCIA f Número de oscilaciones completas por unidad de tiempo de los campos eléctrico y magnético. Se mide en Hercios (Hz). 1 Hz = 1 s -1 La frecuencia es una característica de la O.E.M. independiente del medio en que se propague. LONGITUD DE ONDA Distancia entre dos puntos consecutivos que tienen la misma fase. La longitud de onda (para una frecuencia dada) depende de las características del medio en que se propaga la onda. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (c = km/s en el vacío) AmbientalAmbiental FísicaFísica

5 5 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (III) PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN UNA O.E.M. (Cont) FRECUENCIA ANGULAR Número de oscilaciones de los campos eléctrico y magnético en el tiempo necesario para que la fase cambie en 2. NÚMERO DE ONDA k Número de ondas contenido en una distancia en que la fase cambia en 2. VECTOR DE PROPAGACIÓN Dirección y sentido vectorial en que viaja la O.E.M. VECTOR DE POYNTING Dirección y sentido vectorial del flujo de energía asociado a la transmisión de energía electromagnética. AmbientalAmbiental FísicaFísica

6 6 Z X Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (IV) Velocidad de propagación Frecuencia ONDA PLANA AmbientalAmbiental FísicaFísica

7 7 FOTONES E Luz blanca AmbientalAmbiental FísicaFísica

8 8 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Espectro electromagnético es el conjunto diferenciado de las distintas radiaciones EM, agrupadas según su frecuencia o según su longitud de onda. Energía = h·f log f f (Hz) ENERGÍAENERGÍA R I RN I 3·10 6 GHz 0.1 m Constante de Planck h = 6.62· J·s AmbientalAmbiental FísicaFísica

9 9 IR B log f f (Hz) Ionizantes (RI) No ionizantes (RNI) X UV extremo RI RNI UV A UV B UV C 0.1 m ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO (II) log f f (Hz) 0.1 m m m 15 IR Visible IR C MW RF Duros Blandos EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF ELF AmbientalAmbiental FísicaFísica

10 10 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO (III) Bandas espectrales adoptadas por la Comisión Internacional de Iluminación (Commission International de l'Eclairage, CIE) para UV, visible e IR (nm) UV CUV BUV AVisibleIR AIR BIR C · · f (GHz) RADIACIONES NO IONIZANTES: No tienen energía suficiente para producir efectos apreciables de ionización en los materiales. 0.3 m (300 nm) 3 m (3000 nm) Radiación solar (onda corta) Onda larga AmbientalAmbiental FísicaFísica

11 11 EMISOR IDEAL DE O.E.M. Un cuerpo negro es aquel que emite la máxima cantidad de radiación a cada longitud de onda y en todas direcciones (a una temperatura dada). También absorbe toda la radiación incidente en todas las direcciones para cada longitud de onda. La potencia emisiva espectral (o monocromática) e b de un cuerpo negro es la energía emitida por unidad de tiempo y unidad de área en cada longitud de onda (o frecuencia). Es una función de la temperatura. (W·m -2 · m -1 ) Ecuación de Planck AmbientalAmbiental FísicaFísica

12 12 A medida que la temperatura de un cuerpo negro se incrementa se observa que: La potencia emisiva se incrementa para cada longitud de onda La cantidad relativa de energía emitida a longitudes de onda cortas se incrementa La posición del máximo de potencia emisiva se desplaza hacia longitudes de onda más cortas EMISOR IDEAL DE O.E.M. (II) AmbientalAmbiental FísicaFísica

13 13 Ley de Stefan-Boltzmann EMISOR IDEAL DE O.E.M. (III) La potencia emisiva de un cuerpo negro dentro de un ancho de banda d es e b ·d. La potencia emisiva total e b es la radiación que abandona el cuerpo negro a todas las longitudes de onda, y está dada por: Constante de Stefan-Boltzmann = ·10 -8 W·m -2 K -4 Ley de desplazamiento de Wien La longitud de onda correspondiente al máximo de emisión es inversamente proporcional a la temperatura. ( m) (W·m -2 ) AmbientalAmbiental FísicaFísica

14 14 Ejemplo Cuerpo negro radiando un total de e b = 7.250·10 4 Wm -2. Determínese su temperatura, la longitud de onda del máximo de emisión y represéntese su potencia emisiva espectral en función de la longitud de onda. EMISOR IDEAL DE O.E.M. (IV) Según la ley de Stefan-Boltzmann Según la ley de Wien max ( m) AmbientalAmbiental FísicaFísica

15 15 IRRADIANCIA ESPECTRAL La irradiancia espectral corresponde al flujo energético recibido a cada longitud de onda por una superficie situada perpendicularmente a la marcha de los rayos colocada a la distancia r del cuerpo negro emisor. r emisor La energía radiada se distribuye sobre una superficie cada vez mayor en proporción al cuadrado del radio el flujo disminuye inversamente al cuadrado del radio a medida que nos alejamos de la fuente AmbientalAmbiental FísicaFísica

16 16 Geométricamente corresponde a la superficie comprendida bajo la curva de irradiancia espectral y el eje de abscisas (W·m -2 · m -1 ) m IRRADIANCIA ESPECTRAL (II) El total integrado entre dos longitudes de onda se mide en unidades de densidad de flujo de energía AmbientalAmbiental FísicaFísica Irradiancia espectral promediada sobre una pequeña anchura de banda centrada en (se mide en Wm -2 m -1 )

17 17 (W·m -2 · m -1 ) ( m) Cuerpo negro a 5777 K (tamaño = radio solar, distancia = 1 U.A.) Espectro solar (fuera de la atmósfera) Visible ESPECTRO SOLAR: EL SOL COMO CUERPO NEGRO Gráfica elaborada con datos procedentes de Irradiancia espectral promediada sobre una pequeña anchura de banda centrada en (se mide en Wm -2 m -1 ) UVIR AmbientalAmbiental FísicaFísica

18 18 LÍNEAS DE ABSORCIÓN EN EL ESPECTRO SOLAR DEBIDAS A DISTINTOS ELEMENTOS PRESENTES EN EL SOL (EJEMPLO) m m AmbientalAmbiental FísicaFísica

19 19 ESPECTRO SOLAR: EL SOL COMO CUERPO NEGRO (II) CONSTANTE SOLAR (W·m -2 ) = 4921 kJ·m -2 ·h -1 = MJ·m -2 ·min -1 (W·m -2 · m -1 ) ( m) Flujo total de energía solar (a todas las longitudes de onda) incidente sobre una unidad de área perpendicular a los rayos solares a una distancia de 1 U.A. Otras unidades 1 langley (ly) = kJ/m 2 G SC = 2.0 ly/min AmbientalAmbiental FísicaFísica

20 20 Cenit z Superficie horizontal Irradiancia normal Irradiancia horizontal Irradiación extraterrestre (W·m -2 ) sobre una superficie horizontal Flujo de energía W·m -2 sobre superficie horizontal FLUJO DE ENERGÍA SOBRE SUPERFICIES HORIZONTALES FUERA DE LA ATMÓSFERA Irradiación extraterrestre (W·m -2 ) sobre una superficie normal a los rayos solares AmbientalAmbiental FísicaFísica

21 21 RADIACIÓN EXTRATERRESTRE Constante solar G SC = MJ·m -2 ·min -1 J = día del año (J = ) Factor excentricidad (distancia relativa inversa) Intensidad local de radiación: está determinada por el ángulo entre la dirección de los rayos solares y la normal a la superficie en el límite de la atmósfera. Este ángulo cambia durante el día y también según la latitud y las estaciones. Ángulo cenital Radiación extraterrestre La radiación que alcanza una superficie perpendicular a los rayos del sol en el límite superior de la atmósfera es: AmbientalAmbiental FísicaFísica (radiación astronómica)

22 22 RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (II) Cálculo para periodos diarios Integración de la ecuación Energía total recibida por unidad de superficie en el intervalo de 1 día (MJ·m -2 · dia -1 ) MJ·m -2 ·min -1 (Ángulo horario a la salida del sol) AmbientalAmbiental FísicaFísica

23 23 Ejemplo 1. Usando la ecuación integrada Para el día 1 de agosto (J=213) a una latitud de 40º N se tiene: G SC = MJ·m -2 ·min -1 d r = Declinación: = 18.22º MJ·m -2 · dia -1 RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (III) AmbientalAmbiental FísicaFísica

24 24 Ejemplo 2. Integración gráfica de la ecuación Determinación de la radiación astronómica el día 1 de agosto. J = 213 Declinación: = 18.22º Latitud: = 40º N G SC = MJ·m -2 ·min -1 RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (IV) AmbientalAmbiental FísicaFísica

25 25 RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (V) G SC = MJ·m -2 ·min -1 J = 213 d r = Cálculos y preparación datos para representación gráfica rad º cos z 1 h MJm -2 min min MJm -2 min -1 HSL RaRa AmbientalAmbiental FísicaFísica

26 26 RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (VI) a b c MJm -2 min -1 ·h = ·60 MJm -2 = MJm -2 Suma diaria: MJm -2 dia -1 (compárese con MJ·m -2 · dia -1 ) AmbientalAmbiental FísicaFísica

27 27 Cálculo de la radiación extraterrestre R a para periodos cortos La radiación astronómica para cada día del año y para cada latitud puede estimarse a partir de la constante solar, la declinación del día y la hora de comienzo y fin del periodo de cálculo MJ·m -2 ·min -1 R a en MJ·m -2 ·hora -1 (o periodo más corto) Intervalo de tiempo de cálculo (para 1 hora, t=1; para 30 min, t=0.5) Determinación de, véase página siguiente RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (VII) AmbientalAmbiental FísicaFísica

28 28 (Ángulo de tiempo solar a mitad del periodo) t: hora estándar (en fracción decimal) a mitad del periodo, e.g, entre las 15 y las 16, t = 15.5 L z : Longitud del centro de la zona de tiempo local (en grados al OESTE de Greenwich). Ejemplos: Para costa este de EEUU, L z = 75º; zona del Pacífico EEUU, L z = 120º; para Bangkok, L z = 255º; para El Cairo L z = 330º. L m : Longitud del lugar de medida (en grados al oeste de Greenwich). S c : Corrección estacional para la hora solar (en horas) (J es el número de día del año) RADIACIÓN EXTRATERRESTRE (VIII) AmbientalAmbiental FísicaFísica

29 29 CONSTANTE SOLAR MEDIA Círculo de radio 6740 km Energía interceptada: Proporcional a R 2 La energía se recibida en 1 día se distribuye en un área 4 R 2 Para calcular la cantidad media de energía solar que alcanza la Tierra (EN LOS NIVELES SUPERIORES DE LA ATMÓSFERA) por metro cuadrado de superficie, hay que multiplicar la constante solar por el área del círculo terrestre y dividir este resultado por la superficie. 342 W·m -2 Constante solar media Constante solar G SC = MJ·m -2 ·min -1 = 1367 W·m -2 AmbientalAmbiental FísicaFísica

30 30 RADIACIÓN DE ONDA CORTA Radiaciones comprendidas en el intervalo entre 0,3 m y 3 m (300 nm-3000 nm) Comprende parte de UV, el visible y parte del IR (nm) UV CUV BUV AVisibleIR AIR BIR C Procedentes del Sol, alcanzan la superficie de la Tierra AmbientalAmbiental FísicaFísica

31 31 LA ATMÓSFERA DEJA PASAR LA MAYOR PARTE DE LA ONDA CORTA Haz directo de radiación Radiación difusa esparcida hacia el espacio Radiación difusa esparcida hacia el suelo Radiación absorbida Radiación absorbida Radiación difusa Radiación absorbida Radiación directa RADIACIÓN DE ONDA CORTA (II) AmbientalAmbiental FísicaFísica Radiación de onda corta que alcanza la superficie de la Tierra R is Tiene una componente directa y otra componente difusa Valores típicos en un día despejado 80% - 20%

32 32 Radiación de onda corta día 15 junio 1999 Hora solar RADIACIÓN DE ONDA CORTA (III) Día despejado R is R dif Datos piranómetros Anchor Station, 39º N, 1º 50 W Su medida en superficie: piranómetro Un piranómetro mide la R is incidente sobre su cúpula AmbientalAmbiental FísicaFísica 0,3 m - 3 m

33 33 RADIACIÓN DE ONDA CORTA (IV) Hora solar Radiación de onda corta día 29 enero 1998 Día nuboso Datos piranómetros Anchor Station, 40º N (aprox.) Comparación: Radiación de onda corta día 30 enero 2000 Hora solar Características día nuboso: * Disminuye radiación incidente * Aumenta radiación difusa R is R dif AmbientalAmbiental FísicaFísica

34 34 Hora solar RADIACIÓN ONDA CORTA (V) Radiación de onda corta día 11 agosto 1999 Radiación UV m AmbientalAmbiental FísicaFísica

35 35 RADIACIÓN SOLAR A TRAVES DE LA ATMÓSFERA (Estimación día claro) Absorción % 8 100% Moléculas de aire 1 1 a a 10 5 Polvo Vapor de agua 0.5 a 10 2 a 10 Difusión % Reflexión al espacio % Directa 83% a 56% 11% a 23% 5% a 15% AmbientalAmbiental FísicaFísica

36 36 Adaptado de RADIACIÓN A NIVEL DEL MAR O3O3 O3O3 H2OH2O O2O2 H2OH2O H2OH2O H 2 O, CO ( m) Irradiancia espectral(W·m -2 · m -1 ) Irradiación solar fuera de la atmósfera Irradiación solar al nivel del mar INCIDENTE A NIVEL DEL MAR 70% CONSTANTE SOLAR MEDIA 240 W·m -2 AmbientalAmbiental FísicaFísica

37 37 La fracción de la radiación incidente que resulta reflejada se denomina ALBEDO ( ) Depende del tipo de superficie: Mar, tierra mojada: albedo bajo Cubierta vegetal: albedo intermedio Nieve, nubes: albedo alto < Puede alcanzar 0.90 Valor promedio albedo Tierra 30% RADIACIÓN REFLEJADA: ALBEDO Se expresa como fracción o porcentaje AmbientalAmbiental FísicaFísica

38 38 Adaptado de ( m) Radiación de cuerpo negro a 6000 ºC Radiación de onda corta incidente en superficie Radiación de cuerpo negro a 15 ºC Radiación térmica emitida por superficie VisUVIR IR térmico Irradiancia espectral RECEPCIÓN Y EMISIÓN DE RADIACIÓN EN SUPERFICIE AmbientalAmbiental FísicaFísica LA SUPERFICIE RECIBE RADIACIÓN DE ONDA CORTA y REEMITE RADIACIÓN DE ONDA LARGA

39 39 R is R ns R down,l R up,l R nl R rs Nubes RaRa Radiación extraterrestre Radiación solar (onda corta) Radiación onda larga R ns =R is -R rs R nl =R down,l -R up,l R n =R ns -R nl Directa Difusa RECEPCIÓN Y EMISIÓN EN SUPERFICIE (COMPONENTES) AmbientalAmbiental FísicaFísica

40 40 BALANCE DE RADIACIÓN (PROMEDIO) Absorción en nubes Reflejada Retrodi- fundida por aire Reflejada por nubes Reflejada por la superficie 100 % 6 21 Absorción por vapor agua, CO 2 y otros gases invernadero Flujo calor sensible 7 Flujo calor latente 23 IR hacia el exterior = 100 Onda corta + 4 Superficie = 51 Atmósfera = Emisión nubes Emisión neta vapor agua, CO 2 y otros gases invernadero Absorción por vapor de agua, polvo y ozono Infrarrojo AmbientalAmbiental FísicaFísica Adaptado de Andrew P. Ingersoll, La atmósfera, Investigación y Ciencia, Temas 12.

41 41 Considere la tabla de datos adjunta, donde aparecen tabulados datos de R is y radiación difusa desde la salida del sol hasta su puesta, en intervalos de media hora, para el día 27 de junio de La estación de superficie que tomó los datos se encuentra ubicada en las siguientes coordenadas geográficas: 39º N, 1º 50 W. Represéntese gráficamente en papel milimetrado la R is y la radiación difusa y comente de que tipo de día se trataba. a. Calcule la radiación solar incidente. Si el albedo era 0.25, calcúlese la radiación absorbida a lo largo del día por la superficie. b. En el supuesto de que el día hubiese sido totalmente despejado y sabiendo que la atmósfera absorbe el 25% de la radiación extraterrestre, calcúlese que radiación solar habría incidido en la superficie en ese caso c. Unidades: W·m -2 AmbientalAmbiental FísicaFísica EJEMPLO. PROBLEMA EXAMEN JULIO 2004

42 42 Absorbido: W·m -2 Salida del Sol Puesta del Sol tiempo, intervalos de 30 minutos (1800 s) W·m -2 Unidades: Wm -2 s= Jm -2 c = 1800 s i AmbientalAmbiental FísicaFísica EJEMPLO. CONTINUACIÓN

43 43 Si la atmósfera absorbiese el 25%, a la superficie llegaría Comentario: se trata de un día parcialmente nuboso, con incidencia especialmente acusada a mediodía solar, y menos nuboso por la tarde. Véase que la radiación difusa antes del mediodía solar va creciendo, no forma la típica meseta plana de un día totalmente despejado; esto indica la presencia de cobertura nubosa, aunque no demasiado espesa. A mediodía aproximadamente la nubosidad se desarrolló bastante más como indica la brusca caída de la R is y la importante subida de la radiación difusa, aunque en poco tiempo esta nubosidad desapareció, dando paso a una situación similar a la de la mañana aunque seguramente con menos nubosidad total, ya que la bajada de la radiación difusa es más pronunciada. AmbientalAmbiental FísicaFísica EJEMPLO. CONTINUACIÓN 2

44 44 EFECTO INVERNADERO La temperatura de la Tierra viene determinada por la cantidad de radiación que alcanza y calienta la superficie Modelo simple para calcular la temperatura en la Tierra La radiación solar es interceptada por un disco del radio de la Tierra y por tanto la cantidad promedio disponible en el suelo es 1º) Constante solar Radio de la Tierra Albedo La Tierra radia en el IR térmico como un cuerpo negro a una temperatura T. A dicha temperatura la energía radiada en promedio es 2º) Radio de la Tierra Constante de Boltzmann Temperatura absoluta AmbientalAmbiental FísicaFísica

45 45 EFECTO INVERNADERO (II) La temperatura de equilibrio se alcanza cuando la energía incidente y la energía irradiada son iguales. La temperatura de cuerpo negro que equilibra la entrada y la salida se obtiene igualando los dos términos anteriores. 3º) Cálculos basados en AmbientalAmbiental FísicaFísica A esta temperatura, y de acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann, la potencia emisiva de un cuerpo negro es Este es el valor de la constante solar efectiva

46 46 Hay que explicar por qué, si la Tierra irradia como cuerpo negro 239 W·m -2, su temperatura media en superficie se encuentra alrededor de 33 ºC por encima de la que le corresponde. Esto corresponde aproximadamente a una emisión de cuerpo negro de 391 W·m -2 EFECTO INVERNADERO (III) Pero la temperatura media de la Tierra en superficie es aproximadamente 15 ºC, no -18 ºC! Los diferentes gases componentes de la atmósfera no absorben de igual forma las distintas frecuencias que componen la radiación de onda corta. Algunos gases, como oxígeno y nitrógeno son transparentes a casi todas las frecuencias Otros gases como vapor de agua, dióxido de carbono, metano y óxidos de nitrógeno son transparentes a las radiaciones de onda corta, pero absorben las radiaciones de onda larga. AmbientalAmbiental FísicaFísica

47 47 EFECTO INVERNADERO (IV) (Efecto invernadero) La atmósfera deja pasar la mayor parte de la radiación de onda corta procedente del exterior, pero absorbe la mayor parte de la radiación de onda larga reemitida por la Tierra. Como resultado la atmósfera se calienta y mantiene la temperatura en superficie por encima del valor que correspondería a un cuerpo negro en equilibrio radiativo. AmbientalAmbiental FísicaFísica

48 48 EFECTO INVERNADERO (V) GASES QUE INTERVIENEN EN EL EFECTO INVERNADERO NATURAL 60 al 70% del efecto invernaderoCielo claro Vapor de agua Orden decreciente en contribución dióxido de carbono metano N2ON2O ozono (estratosfera) Posibilidad de reforzamiento del efecto invernadero: Incremento de las concentraciones naturales de los gases de invernadero y aparición de nuevas especies químicas en la atmósfera a causa de la actividad humana AmbientalAmbiental FísicaFísica

49 49 EFECTO INVERNADERO (VI) AmbientalAmbiental FísicaFísica

50 50 INCREMENTOS DE TEMPERATURA Incrementos de concentración desde 1750: CO 2 : 280 ppm a 360 ppm (29%) Óxidos de nitrógeno: 280 ppb a 360 ppb (11%) Metano: 0.70 ppm a 1.70 ppm (143%) CALENTAMIENTO GLOBAL AmbientalAmbiental FísicaFísica

51 51 CALENTAMIENTO GLOBAL (II) Fuente original: U.S. National Climatic Data Center, Cambio global de temperatura ( ) Separación de la temperatura media (ºF) AmbientalAmbiental FísicaFísica

52 52 AmbientalAmbiental FísicaFísica CALENTAMIENTO GLOBAL (III) Excepto vapor de agua

53 53 UN CASO EXTREMO DE EFECTO INVERNADERO Atmósfera: 97% CO 2, 3% N 2 Al nivel del suelo 90 bar, 450 ºC AmbientalAmbiental FísicaFísica

54 54 BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN Radiación de cuerpo negro Radiación solar en la atmósfera. Balance de radiación 1985 Wehrli Standard Extraterrestrial Solar Irradiance Spectrum ( nm) Espectro solar Conceptos sobre radiación solar (idioma: inglés) AmbientalAmbiental FísicaFísica

55 55 BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN (II) invernadero natural Sobre balance de energía y efecto invernadero AmbientalAmbiental FísicaFísica


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