II. Microclimatología. Andrew S. Kowalski Profesor Contratado Doctor Departamento de Física Aplicada Universidad de Granada

Transcripción

1 II. Microclimatología Andrew S. Kowalski Profesor Contratado Doctor Departamento de Física Aplicada Universidad de Granada

2 Bibliografía Arya, S. P., Introduction to Micrometeorology, Academic Press, 1988, San Diego Capítulos 2-4 de particular relevancia Roland B. Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers, 1989, ISBN

3 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Papel, capa límite (condición de entorno) Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

4 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Papel, capa límite (condición de entorno) Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

5 BALANCE DE ENERGÍA A DE + UNA SUPERFICIE Superficie ideal R = G + H + LE + n Misc Hacía la superficie R n = Radiación neta Signos arbitrarios! + - Desde la superficie G = Calor al suelo H = Calor (sensible) a la atmósfera LE = Calor latente a la atmósfera Misc = a investigar (!)

6 ENERGÍA DISPONIBLE R = G + H + LE n H LE Micrometeorología (Temas 3+) R G + Misc + = n Asuntos de Tema 2 Flujos turbulentos de calor sensible y latente H 2 O(g) Antes de empezar: Un poco de contexto sobre las posibilidades de investigar en este ámbito

7 Balance de Energía en Superficie R n R n H H LE G G LE

8 Según la 1ª Ley de la Termodinámica BALANCE DE ENERGÍA TEORÉTICO H + LE = R n G H+LE y=x noche día Rn-G

9 Se cierra el balance? Ejm: bosque recién talado cerca de Burdeos H+LE (W m -2 ) y = x R 2 = May 2001 Rn+G (W m -2 ) eto: Demostrar concordancia con la 1ª Ley de la Termodinámica

10 Un análisis de 59 sitios/años Comparar con el pendiente teorético=1.0

11 Un problema general de la micrometeorología/microclimatología H ( ) + ε + LE = R G n En cientos de sitios en el mundo, se encuentra: H+LE = α (R n -G); α ~(80 +/- 15)% (Baldocchi, 2003, Global Change Biology, 9, ) Qué se puede concluir de este problema?

12 Un problema general de la micrometeorología/microclimatología Posibles conclusiones: 1. No sabemos bien medir los flujos turbulentos Hace falta corregirlos por un factor de 1.25 También cualquier flujo turbulento (CO 2, aerosoles, etc.)

13 Un problema general de la micrometeorología/microclimatología Posibles conclusiones: 2. No estimamos bien la energía disponible, porque A. No sabemos bien medir R n y G; B. No debemos despreciar los términos en ε ( Misc ) H ( ) + ε + LE = R G n Una oportunidad para investigar

14 ENERGÍA DISPONIBLE R = G + H + LE n H LE R G + = n Asuntos de Tema 2

15 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (R n ) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G) Agradecimiento: Richard L. Snyder Atmospheric Science University of California Davis, California

16 Transferencia de calor: Tres Mecanismos Conducción Convección Radiación

17 Radiación Asignatura GeoMet Transferencia Radiativa Aquí, solo un vistazo general Principios básicos de la radiación Relevancia a la Micrometeorología Enfoque en la radiación en superficie Balance de energía Importancia para otros intercambios superficie-atmósfera

18 Radiación La radiación electromagnética Se comporta como una onda Transferencia de energía Propiedades de frecuencia (ν) y longitud de onda (λ) Pero sin necesidad de un medio (puede propagar en el espacio vacío) La energía radiativa depende de la frecuencia (ν) o longitud de onda (λ), lo cual depende de la temperatura del emisor La velocidad de luz = frecuencia * longitud c = λν = m s 8 1

19 Relaciones básicas de ondas λ - longitud de onda (m) Distancia de cresta a cresta (o valle a valle) ν - frecuencia (s -1 ) Número de ondas por segundo c velocidad de la luz c = m s -1 Velocidad de luz c=3.0 x 10 8 m s -1 c = λυ Longitud de onda frecuencia λ λ = c υ

20 Onda o partícula, según conviene Concepto introducido por Planck Radiación n electromagnética tica un flujo de partículas (quantos, fotones) Cada fotón n con su energía h E = hυ = J s De mucho interés para los cálculos c de conversión n energética (ejm:: la fotosíntesis)

21 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Relevancia en el balance de energía en superficie Porqué?

22 La Ecuación n de Planck Introducción n a una ecuación chunga No porque nos guste Porque tiene mucho interés s (a ver luego) B λ ( T ) = 2 π hc λ 5 2 exp k hc λ T 1 1 W m -2 µm -1 B λ = Radiación n emitida en una longitud de onda h = J s constante de Planck k = J K -1 constante de Boltzmann c = m s -1 T Temperatura (Kelvin) velocidad de la luz

23 1 Emisiones Blackbody espectrales emittance Sol y Tierra for Sun (cuerpos and Earth negros) Emisión Espectral Terrestre (W m -2 µm -1 ) Earth Spectral Emittance (W m -2 µm -1 ) K 288 K Emisión Solar Espectral Spectral Emittance Solar (MW m -2 mµm -2-1 µm ) -1 ) M Longitud Wavelength de Onda (µm) (µm) 2 1 exp 2 hc k λ T π hc = ( T ) B 5 λ λ Ojo: para una T dada, el máximo en B λ B λ se determina donde la derivada = 0 λ

24 Ley de Desplazamiento de Wien λ max = 2897 T ~ µm K K Sol 2897 λ = = max VISIBLE Tierra 2897 λ = = max INFRA-ROJA T en unidades de K λ en unidades de µm

25 Emisión Solar Espectral Spectral Emittance Solar (MW m -2 m µm -2-1 µm ) -1 ) Emisiones espectrales Sol y Tierra (cuerpos negros) Blackbody spectral emittance for Sun and Earth 0.48 µm µ m 6000 K 288 K Longitud Wavelength de Onda (µm) (µm) Emisión Espectral Terrestre (W m -2 µm -1 ) Earth Spectral Emittance (W m -2 µm -1 ) Ojo: para una T dada, el máximo en B λ B λ se determina donde la derivada = 0 λ B λ ( T ) = 2πhc 5 λ 2 hc exp kλt 1 1

26 Una observación sobre las escalas Al nivel mundial: La radiación solar es la única entrada de energía en el sistema terrestre La radiación terrestre es la única pérdida Dos Consecuencias: 1. tienen que ser de la misma magnitud para que la temperatura se mantenga constante 2. No hay solapamiento espectral (o muy poco) Emisión Espectral Solar Spectral Emittance Solar (MW m -2 m µm -2-1 ) µm -1 ) M Emisiones espectrales Blackbody Sol emittance y Tierra for Sun and (cuerpos Earth negros) 6000 K 288 K Longitud Wavelength de Onda (µm) (µm) Mucha distancia hasta el Sol División artificial: - radiación solar (onda corta) - radiación terrestre (onda larga) Emisión Espectral Terrestre (W m -2 µm -1 ) Earth Spectral Emittance (W m -2 µm -1 )

27 Radiación Neta en Superficie α S i L i L e S i longwave hortwave Onda Corta Onda Larga Descomposición de la Radiación Neta en: Solar incidente (S i ) = f(ángulo sol, nubes, aerosoles ) Solar reflejada (S r ) = f(s i, α superficie) Onda Larga incidente (L i ) = f(efecto invernadero) Onda Larga emitida (T e ) = f(t, ε) R n = (1- α) S i + L i - L e

28 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas en superficie Temperaturas subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

29 Variabilidad de la radiación solar Geometría orbital Efectos atmosféricos Absorción Dispersión Gases Aerosoles Nubes

30 DECLINACIÓN SOLAR Declinación Solar: Ángulo formado por la línea que une los centros del sol y la Tierra con el plano ecuatorial terrestre. Localiza la latitud para la cual el sol presenta incidencia normal a medio día. Varia entre ±23.5º.

31 ORBITA SOLAR. ESTACIONES.

32 cosθ z = senδ senφ + cosδ cosφ cosω = senα ÁNGULO CENITAL SOLAR (en un momento dado) Determinación de la máxima elevación solar en un lugar y fecha dados

33 INSOLACIÓN EXTRATERRESTRE (AL LARGO DEL DÍA) 2 W / m Máxima luz estival en el polo! H día 2 orto r0 = I sc cos θ 0 dt r ocaso

34 Variabilidad de la radiación solar Geometría orbital Efectos atmosféricos Absorción Dispersión Gases Aerosoles Nubes

35 ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA ATMÓSFERA TERRESTRE 1367

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37 Variabilidad de la radiación solar Geometría orbital Efectos atmosféricos Absorción Dispersión Gases Aerosoles Nubes

38 RADIACIÓN SOLAR EN SUPERFICIE F = F cos + F n θ λ λ z dλ Difusa Global Directa

39 ATENUACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA ATMÓSFERA

40 COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR

41 RADIACIÓN SOLAR EFECTO DE LAS NUBES

42 EFECTOS DE LA DISPERSIÓN

43 RADIACIÓN SOLAR GLOBAL Y DIFUSA

44 RADIACIÓN SOLAR GLOBAL Y DIFUSA

45 Difusa/Directa

46 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

47 Emisión de un cuerpo negro Cuerpo negro: absorbedor perfecto α λ =1 No existe? Pues se inventa: cavidad aislada en equilibrio térmico Energía emitida = Energía absorbida (radiación) Ni conducción, ni convección T=cte

48 Ley de Stefan-Boltzmann Si no nos interesa la dependencia de longitud de onda (solo energía total) Hacemos una integración (todas λs): ( Ley de Planck ) λ E = σt 4 E densidad de flujo radiativo emitido T temperatura (K) σ = W m -2 K -4 Válido para cuerpos negros

49 Cuerpo Negro / Cuerpo Gris La diferencia radica en la emisividad: ε (propiedad de la sustancia) E = εσt 4 ε = 1.0 cuerpo negro ε < 1.0 cuerpo gris

50 30 Emisión Espectral Terrestre (W m -2 µm -1 ) Earth Spectral Emittance (W m -2 µm -1 ) Blackbody spectral emittance for Sun and Earth Emisiones espectrales Sol y Tierra (cuerpos negros) 6000 K 288 K Longitud Wavelength de Onda (µm) (µm) 20 Solar Spectral Emittance (MW m -2 µm -1 ) W m W m -2 Emisión Espectral Solar (MW m -2 µm -1 )

51 Ley de Kirchhoff Toda energía electromagnética que incide en una sustancia tiene uno de tres destinos: Se absorbe Se refleja Se transmite 1 unidad Absorbida Transmitida Para un cuerpo gris Reflejada 1 = α(λ)+ )+r(λ)+t(λ) Para una λ determinada

52 Ley de Kirchhoff T e Emisividad de un cuerpo grisε = F / F Dentro de una cavidad negra e F = F El cuerpo gris emite: El cuerpo gris absorbe: En equilibrio (T=T): λ λ ε λ λb a Fλ = A λ F A λ b λ λ ε λ Válido cuando hay Equilibrio Termodinámico Local (LTE) Siempre en la capa límite = λ b cuerpo negro Cuerpo negro A λ =ε λ =1 Cuerpo no negro A λ =ε λ < 1

53 Ley de Kirchhoff Para una λ determinada Absortividad α = Emisividad ε Importante, la dependencia de λ: Ejm: la nieve Absorbe (emite) mal la energía visible Absorbe (emite) bien en la infraroja Ejm: las hojas de plantas Absorbe (emite) bien la energía visible Absorbe (emite) mal en la próxima infraroja (NDVI)

54 VISIBLE/TÉRMICA

55 EFECTO DE LAS NUBES SOBRE LA RADIACIÓN SOLAR Y TÉRMICA

56 RADIACIÓN TÉRMICA. EFECTO INVERNADERO

57 VARIACIÓN DIARIA DE FLUJOS RADIATIVOS

58 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

59 Balance de radiación en superficie Albedo de la superficie R + n = Rsd + Rsu + RLd RLu R n = ( 1 α) Rsd + RLd + RLu

60 Balance de radiación en superficie R = R + R + R + n sd su Ld R Lu R = R α R + R + n n sd sd sd Ld R = ( 1 α) R + R + Ld R R Lu Lu R n = ( 1 α) R + ε σ T 4 ε σ T 4 sd efectiva a sup s Emisividades atmósfera superficie

61 ALBEDOS DE SUPERFICIES NATURALES

62 EMISIVIDADES DE SUPERFICIES NATURALES

63 ALBEDOS Y EMISIVIDADES

64 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G) Agradecimiento: Juan Luis Guerrero Rascado GFAT/UGR

65 EL FLUJO DE CALOR AL SUELO R n = H + LE + G R n G H LE

66 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

67 Temperatura en Superficie No existe la superficie ideal Ni el sensor que no la modifique Mediciones in situ : extrapolación de perfiles Medidas remotas (TIR) ( skin temperature ) No se puede caracterizar exactamente Objetivos: intentamos saber algo sobre Máximos, mínimos, rango diurno Presencia de humedad Presencia de vegetación

68 EVOLUCIÓN DIURNA DE TEMPERATURAS DE SUELO A VARIAS PROFUNDIDADES. MARGA ARENOSA SIN VEGETACIÓN

69 EVOLUCIÓN DIURNA DE TEMPERATURAS EN UNA ZONA SEMIÁRIDA DE VEGETACIÓN DISPERSA Día del año

70 ONDA TÉRMICA ANUAL SUELO A VARIAS PROFUNDIDADES. MARGA ARENOSA SIN VEGETACIÓN invierno

71 CICLOS DE TEMPERATURA GENERALIZADOS A VARIAS PROFUNDIDADES Diurno Anual

72 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

73 PROPIEDADES TÉRMICAS DEL SUELO G = k T z k Conductividad térmica W m -1 K -1 G ρ G c = α h T z z 1 z 2 ρ Densidad Kg m -3 c Calor específico J Kg -1 K -1 α h Difusividad térmica m 2 s -1

74 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS SUELOS

75 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS SUELOS. INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE HUMEDAD. k ρc α h kρc

76 MICROCLIMATOLOGÍA: ENERGÍA EN SUPERFICIE (3h) La ecuación de balance de energía La radiación neta (Rn) Introducción a la radiación Radiación solar Radiación Térmica Propiedades radiativas de la superficie Albedo Emisividad La transferencia de energía al suelo Temperaturas superficiales y subterráneas Propiedades Térmicas de los suelos El flujo de calor al suelo (G)

77 TRANSFERENCIA DE CALOR AL SUELO. 1 Q = G( z) A G( z + z) A [ G( z) ( G( z + ( G z) z) ] A = ) ( G z) z A A G(z) = Q Q 2 Q = = t t ( mc T ) ( ρ A zc T ) calorimetría G z 1=2 z A = G(z+ z) t ( ρ A zc T )

78 TRANSFERENCIA DE CALOR AL SUELO. G(z) G(z+ z) A ( ) T zc A t A z z G = ρ ( ) T c t z G ρ = 1=2 = z T k G = z T c k z t T ρ Fourier (Fick) Eqn Ondas = z T z α h

79 TRANSFERENCIA DE CALOR AL SUELO. G G z = t ( ρ c T ) Corrección de G (medido a una profundidad D) por el cambio de temperatura en la capa superior 0 = G D D + ( ρ c T )dz o t A G(z) G(z+ z)

80 Ecuación de ondas ONDA TÉRMICA. ( ) + = m s m s t t P A sen T T 2π = = z T z z T c k z t T h p α ρ ( ) + = d z t t P sen d z A T T m s m 2π exp 2 1 = π Pα h d CONDICIÓN DE CONTORNO Profundidad de amortiguamiento T m Temperatura media de superficie A S Amplitud de onda térmica superficie P Periodo de onda térmica superficie t m Instante para el que T S =T m con T m S T T z t T T z = = ) ( 0

81 VARIACIONES DE AMPLITUD Y DESFASE TEMPORAL DE LAS ONDA TERMICA. zp 2πd

82 FLUJO DE CALOR AL SUELO. ( ) + = d z t t P sen d z A T T m s m 2π exp ( ) + = π π πρ m s G t t P A sen P k c G =0 = z G z T k G G = ground Escala diaria 3 h Escala anual 1.5 meses Desfase T S -G G P/8

83 INSTRUMENTACIÓN DE MEDIDA DEL ESTADO DEL SUELO.

84 PLACAS DE MEDIDA DE FLUJO AL SUELO. G G = G D D + o t ( ρ c T )dz

85 APLICACIONES MÁS ALLÁ DE LA MICROMETEOROLOGÍA Predicción de temperatura de superficie y condiciones de escarcha Determinación de la razón de almacenamiento o liberación de calor por el subsuelo Estudio del micro-ambiente de la cubierta de plantas, incluyendo la zona de raíces Diseño medio-ambiental de estructuras subterráneas Determinación de la profundidad de la zona de escarcha permanente en latitudes altas