PCT Radiación Solar y Terrestre

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Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM 13ago UTC C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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. C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Cont … 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. C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Espectro Electromagnético Continuo? Discreto? Emisión? Absorción? E = hn = hc/l h= 6.63x10-34 J seg C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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

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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 3 x x 1012 Infrared x 10-5 3 x x 1014 Visible 7 x x 10-5 4.3 x x 1014 2 - 3 Ultraviolet 4 x 7.5 x x 1017 X-Rays 3 x x 1019 Gamma Rays < 0.1 < 10-9 > 3 x 1019 > 105 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Radiación en la superficie de la Tierra C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

ABSORCIÓN POR GASES ATMOSFÉRICOS C. Gay, Sánchez, O. Peixoto, J.P., Oort, A.H. 1991 C. Gay, O. Sánchez

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

Ley de Extinción de Radiación (Ley de Beer o de Beer-Bouguer-Lambert) Camino físico Coeficiente de extinción In(s=0) In(s=s1) ds s1 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

¿qué le puede pasar a un fotón cuando interacciona con la materia? EXTINCIÓN = DISPERSIÓN + ABSORCIÓN Ley de Distribución Espectral de Planck: El flujo radiativo (o radiacional) espectral hemisférico de un cuerpo negro está dado por: Fn = p Bn ¿Qué es un cuerpo negro? ¿Qué características tiene la radiación que emite? ¿Qué es el equilibrio termodinámico? C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Donde Bn es la función de Planck dada por: mr=parte real del índice de refracción, h=constante de Planck c=velocidad de la luz, n=frecuencia, kB=constante de Boltzmann Límite de Wien: hn/kBT » 1 Altas energías Límite de Rayleigh – Jeans: hn/kBT « 1 Bajas energías C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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

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

Ley de desplazamiento de Wien: lmax T= (mm K) Sirve para calcular la posición de los máximos de la curva de Planck para diferentes temperaturas Ley de Stefan - Boltzmann: F(T)= sB T sB=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 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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) Ley de Kirchhoff aplicada a emisión volumétrica: el coeficiente de emisión térmica por unidad de volumen está dado por: ¿Qué es un cuerpo gris? C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Balance de Radiación Global Planetaria “constante” solar So = 1368 W/m2 TIERRA Incidente p R2 So Emitida p R2 sB Tef 4 MODELO CLIMÁTICO DE ORDEN 0 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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

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

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

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

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

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 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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

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

Temperatura Efectiva Si Q es la cantidad total de energía térmica del sistema ENTERO del clima (excluyendo la geotermia) y: es la energía media integrada por columna, entonces: El calentamiento globalmente promediado es: C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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 a= 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 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Si caracterizamos la radiación de onda larga saliente por una temperatura efectiva Te (Ley de Stefan – Boltzmann): = sB Te4 Considerando un promedio adicional del forzamiento radiativo para un periodo razonable de tiempo, suficiente para alcanzar el equilibrio radiativo planetario, se tendrá: C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Efecto Invernadero Es la diferencia entre la temperatura efectiva y la temperatura media global de superficie de un planeta: DT = Te - Ts Para la Tierra: a ≈ = So/4 = 342 W/m2 Ts ≈ 15 °C= 288 K DT = 33 K Más formalmente: G ≡ 2 <m> sB(Ts4 –Te4) <m>= media hemisférica del coseno del ángulo de incidencia (Thomas/Stamnes Cap. 12) 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 C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

Completar la tabla: Altura media radiante Km 1 5.5 70 Irradiancia Solar W/m2 589 1368 2613 Planetas Marte Tierra Venus Albedo 0.15 0.30 0.75 Te K 217 255 232 Ts K 220 288 700 Sol - Venus (0.72 UA), Sol- Marte (1.52 UA), Sol – Tierra (1UA=150 x106 km) C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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

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. C. Gay, Sánchez, O. C. Gay, O. Sánchez

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