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C. Gay, Sánchez, O.1 RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM 13ago2009 19 UTC.

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1 C. Gay, Sánchez, O.1 RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM 13ago UTC

2 C. Gay, Sánchez, O.2 RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE 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. Ley de Planck. Cuerpo negro. Ley de Wien. Ley de Stefan Boltzman. Leyes de Kirchhoff. Cuerpo gris.

3 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 …

4 C. Gay, Sánchez, O.4 Espectro Electromagnético Continuo?Discreto?Emisión?Absorción? E = h = hc/ h= 6.63x J seg

5 C. Gay, Sánchez, O.5 Espectros de absorción y emisión del H2 (2)

6 C. Gay, Sánchez, O.6

7 C. Gay, Sánchez, O.7 Spectrum of Electromagnetic Radiation RegionWavelength (Angstroms) Wavelength (centimeters) Frequency (Hz) Energy (eV) Radio> 10 9 > 10< 3 x 10 9 < Microwave x x Infrared x x x Visible x x x x Ultraviolet x x x X-Rays x x Gamma Rays< 0.1< > 3 x > 10 5

8 C. Gay, Sánchez, O.8

9 9 Radiación en la superficie de la Tierra

10 C. Gay, Sánchez, O.10 Peixoto, J.P., Oort, A.H ABSORCIÓN POR GASES ATMOSFÉRICOS

11 C. Gay, Sánchez, O.11

12 C. Gay, Sánchez, O.12 Conceptos y Leyes Básicos de la Radiación Intensidad espectral o radiancia: Flujo espectral o irradiancia: dA r d

13 C. Gay, Sánchez, O.13 Ley de Extinción de Radiación (Ley de Beer o de Beer-Bouguer-Lambert) Coeficiente de extinción I (s=0)I (s=s 1 ) ds s1s1 Camino físico

14 C. Gay, Sánchez, O.14 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?

15 C. Gay, Sánchez, O.15 Donde B es la función de Planck dada por: Límite de Wien: h /k B T » 1 Altas energías Límite de Rayleigh – Jeans: h /k B T « 1 Bajas energías m r =parte real del índice de refracción, h=constante de Planck c=velocidad de la luz, n=frecuencia, k B =constante de Boltzmann

16 C. Gay, Sánchez, O.16 Función de Planck

17 C. Gay, Sánchez, O.17 Escala logarítmica

18 C. Gay, Sánchez, O.18 Ley de desplazamiento de Wien: max T= ( 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 T 4 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

19 C. Gay, Sánchez, O.19 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)

20 C. Gay, Sánchez, O.20 Balance de Radiación Global Planetaria constante solar So = 1368 W/m 2 TIERRA Incidente R 2 So Emitida 4 R 2 B T ef 4 MODELO CLIMÁTICO DE ORDEN 0

21 C. Gay, Sánchez, O.21

22 C. Gay, Sánchez, O.22 Radiación de Onda Corta (media mensual)

23 C. Gay, Sánchez, O.23 Radiación de Onda Larga (media mensual)

24 C. Gay, Sánchez, O.24 Radiación Neta (media mensual)

25 C. Gay, Sánchez, O.25 Balance Detallado de Radiación Global

26 C. Gay, Sánchez, O.26 Absorción en el océano Thomas y Stamnes (2002)

27 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

28 C. Gay, Sánchez, O.28

29 C. Gay, Sánchez, O.29

30 C. Gay, Sánchez, O.30 Piranómetro (Global) Piranómetro (difusa)

31 C. Gay, Sánchez, O.31 Pirradiómetro (Total o Flujo neto) Pirheliómetro (Directa)

32 C. Gay, Sánchez, O.32

33 C. Gay, Sánchez, O.33

34 C. Gay, Sánchez, O.34

35 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: es la energía media integrada por columna, entonces:

36 C. Gay, Sánchez, O.36 Donde es el forzamiento radiativo medio global igual al flujo neto en el tope de la atmósfera 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 Es la radiación térmica (onda larga) globalmente emitida al exterior en el tope de la atmósfera

37 C. Gay, Sánchez, O.37 Si caracterizamos la radiación de onda larga saliente por una temperatura efectiva Te (Ley de Stefan – Boltzmann): = B Te 4 Considerando un promedio adicional del forzamiento radiativo para un periodo razonable de tiempo, suficiente para alcanzar el equilibrio radiativo planetario, se tendrá:

38 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/m 2 Ts 15 °C= 288 K T = 33 K 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 (T s 4 –T e 4 ) < = media hemisférica del coseno del ángulo de incidencia (Thomas/Stamnes Cap. 12)

39 C. Gay, Sánchez, O.39 Completar la tabla: Planetas Marte Tierra Venus Irradiancia Solar W/m Albedo Te K Ts K Altura media radiante Km Sol - Venus (0.72 UA), Sol- Marte (1.52 UA), Sol – Tierra (1UA=150 x10 6 km)

40 C. Gay, Sánchez, O.40 Perfil vertical de temperatura

41 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.


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