Introducción a la Meteorología General y Climatología con énfasis en Agrometeorología

Transcripción

1 Introducción a la Meteorología General y Climatología con énfasis en Agrometeorología Capítulo del 12/5/14: 2 da parte de Radiación Solar y Radiación Terrestre Facultad de Recursos Naturales ESPOCH Riobamba Lic MSc Dr R. Mario Caffera Prometeo

2 Parte de la radiación solar es reflejada por la atmósfera y la superficie de la tierra Parte de la radiación infra-roja emitida por la superficie de la Tierra es re-emitida en todas direcciones por las moléculas de los gases de efecto invernadero. La radiación solar pasa a través de la atmósfera La mayor parte de la radiación es absorbida por la superficie de la Tierra y la calienta ATMOSFERA TIERRA La superficie de la Tierra emite radiación infra-roja Tomado de Magaña,V. 2005

3 Este es el efecto invernadero natural: Pero la mayoría es absorbida por la superficie terrestre y la calienta (radiación InfraRoja). Parte de la radiación infrarroja pasa a través de la atmósfera y parte es reabsorbida y reemitida en todas direcciones por las moléculas de gases con efecto invernadero (CO 2, H 2 0, 0 3, CH 4, N 2 0, CFCs...) 1º La radiación solar pasa a través de la atmósfera 2º Algo de la radiación solar se refleja por la tierra y la atmósfera 3º El resultado es el calentamiento de la superficie terrestre y de la baja atmósfera

4 Radiación solar Introducción Radiación solar astronómicamente posible Efectos de la atmósfera Radiación solar global Medición y estimación de la radiación solar Radiación solar absorbida

5 Aspectos Cuantitativos ) Intensidad de emisión del SOL Ley de Stephan- Boltzmann ) Posición del SOL respecto a la superficie receptora (TIERRA, inclinación de su superficie) ) Efecto de la ATMOSFERA

6 Radiación solar Cuánta radiación emite el Sol? I = σ. T 4 (ºK) T = 6000 ºK I = 73,5 x 10 6 W.m -2 Cuánta radiación solar llega a la Tierra? Depende de la distancia a la que se encuentra de la fuente (el Sol). Sólo el 0,0005 % es interceptada por la Tierra.

7 Distancia media Tierra Sol: 150 x 10 6 km

8 Características de la RADIACIÓN (1) Ley de Stefan Boltzmann I = σ. T 4 (ºK) σ = 5, W.m -2.ºK -4 constante de Stefan T(temperatura absoluta) I(intensidad de la radiación) 6000 ºK kw.m -2 (Sol) 300 ºK 459 W.m -2 (sup. terrestre) 263 ºK 271 W.m -2 (atmósfera)

9 Características de la RADIACIÓN (2) LEY DE WIEN: λ (max) = c / T (ºK) La longitud de onda de máxima emisión de un cuerpo es función inversa de su temperatura absoluta λ (max) = 2897 / 6000 ºK = 0,483 µ T λ (máx) = 2897 / T (ºK) λ (máx) 6000 ºK 0,48 µ 300 ºK 9,66 µ } la ventana atmosférica 263 ºK 11,02 µ de alrededor de 10 por después donde escapa la energía al espacio

10 La Constante Solar Es la cantidad de radiación solar que llega al tope de la atmósfera, a una superficie normal a la dirección del flujo desde la fuente, y a la distancia media Tierra Sol. S o =1350 ~ 1400 W.m -2 ~ 2 cal cm -2 min -1

11 Ley del coseno o del seno = distancia cenital = h Altura del sol sobre el horizonte I = I o cos = I o sen = I o sen h lo de la linterna"

12 LEY DEL SENO (2) I / I 0 = sin ( h ) Cantidad de energía que recibe una superficie se reduce en función del ángulo de incidencia. En el caso de la superficie terrestre, el ángulo de incidencia varía, sen h = f(latitud; época del año; momento del día) I solar = S o sin h = S o [ sin sin + cos cos cos ]

13 Algunos ángulos máximos de incidencia de la radiación solar al mediodía = 0 = I solar = S o sin h = S o [ sin sin + cos cos cos ]

14 Alturas solares máximas para algunas latitudes en solsticios y equinoccios Latitud Equinoccio Mar 20/21 Solsticio Jun 21/22 Equinoccio Set 22/23 Solsticio Dic 21/22 90 N 0 23,5 0-23,5 70 N 20 43,5 20-3,5 66,5 N 23, , N 30 53,5 30 6,5 50 N 40 63, ,5 23,5 N 66, , , ,5 23,5 S 66, , S 40 16, ,5 60 S 30 6, ,5 66,5 S 23,5 0 23, S 20-3, ,5 90 S 0-23,5 0 23,5

15 Radiación solar al tope de la atmósfera (cal.cm -2.día -1 )

16 Difracción de la Radiación Solar en función de la longitud de onda más chicos más grandes espectro ultravioleta violeta espectro visible (arco iris) rojo = longitud de onda = frecuencia = c ; c = km/s más grandes Esprectro Infrarrojo (calor) más chicos

17 Distribución de la intensidad de la Radiación Solar en función de la longitud de onda amarillo Espectro Solar Infrarrojo cercano ~ de 0,7 a 4 m Infrarrojo lejano > 6 m El Sol casi no emite aquí

18 Efecto de la presencia de Atmósfera Procesos que afectan la radiación solar en su paso a través de la atmósfera ABSORCIÓN REFLEXIÓN DISPERSIÓN

19 Diferentes bandas del espectro solar y su efecto en las plantas (desde el IR hacia el UV) 1ra Banda: > 1 m Tal como es absorbida por la planta, se transforma en calor sin interferir con los procesos bioquímicos 2da Banda: 0,72 m < < 1 m Afecta la elongación de las plantas, es importante para determinar el fotoperiodismo, la germinación de las semillas, el control dela floración y la coloración de los frutos 3ra banda 0,61 m < < 0,72 m Es absorbida intensamente por la clorofila, generando alta actividad fotosintética 4ta banda 0,51 m < < 0,61 m Muy baja actividad fotosintética y formativa (es el verde)

20 Diferentes bandas del espectro solar y su efecto en las plantas (desde el IR hacia el UV) 5ta banda 0,40 m < < 0,51 m La región de absorción más intensa de la clorofila y los pigmentos amarillos (xantofila ) 6ta Banda: 0,31 m < < 0,40 m Efectos formativos, reflejados en plantas más cortas y de hojas más pequeñas 7ma Banda: 0,28 m < < 0,31 m La incidencia de esta radiación es perjudicial para la mayoría d elas plantas (hay que ver qué pasa con las plantas de páramos, puede que aguanten ) 8va banda < 0,28 m mata rápidamente a las plantas

21 Con la hora del día, la inclinación y el espesor de atmósfera atravesado por la radiación solar que incide sobre la superficie terrestre varían

22 Características de la RADIACIÓN (3) Ley de Kirschhoff α(λ) + r(λ) + t(λ) = 1 α: absorbicidad r: reflectibilidad t: transmisibilidad α(λ) = ε(λ)

23 Qué le pasa a la energía entrante (en %) Hay 2 clases de dispersión: - Por las moléculas gaseosas - Por los aerosoles Ambas determinan que un porcentaje de la radiación solar que llega a Superficie sea en forma difusa (de todos lados)

24 Según la ley de Beer, la absorción varía según el espesor de la atmósfera que atraviesa (ver pizarrón) Pero además los componentes de la atmósfera absorben radiación solar selectivamente

25 Radiación Solar Global (Rs) Es el total de radiación solar (onda corta), que alcanza la superficie terrestre luego de atravesar la atmósfera. Rs = R directa + R difusa El piranómetro que está en la estación es sensible a la Rs (el heliofanógrafo mide n (n de horas de sol) ; se calcula N (n de horas diurnas), y se estima Rs = a+ b n/n a ~ 0,24 ; b ~ 0,50

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27 Radiación Solar Absorbida (Rs Abs ) Rs Abs = parte de la radiación solar global que es absorbida por la superficie terrestre: Rs Abs = Rs. (1 r) ALBEDO (r) Es la relación entre la radiación solar reflejada y la radiación solar incidente (Rs), en presencia de radiación difusa: r = R reflejada / Rs

28 Albedos de diferentes superficies

29 Segunda parte: Radiación terrestre Comparación con la radiación solar Los efectos en la atmósfera La Radiación Terrestre saliente efectiva

30 Parte de la radiación solar es reflejada por la atmósfera y la superficie de la tierra Parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra es re-emitida en todas direcciones por las moléculas de los gases de efecto invernadero. La radiación solar pasa a través de la atmósfera La mayor parte de la radiación es absorbida por la Tierra y la calienta ATMOSFERA TIERRA La superficie de la Tierra emite radiación infrarroja Tomado de Magaña, 2005

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32 Aspectos Cuantitativos Ley de Stephan- Boltzmann I = σ T 4 (ºK) σ = 5, W/m 2 /K 4 T Sol 6000 ºK I = 1600 KW/m 2 T supt 300 ºK I = 468 W/m 2 casi la cuarta parte/m 2 T atmósf. 263 ºK I = 126 W/m 2 menos de la décima parte/m 2

33 LEY DE WIEN Aspectos Cualitativos λ (max) = c / T (ºK) La longitud de onda de máxima emisión de un cuerpo es función inversa de su temperatura absoluta SOL λ (máx) = 2897 / 6000 ºK = 0,483 µ (amarillo) TIERRA λ (máx) = 2897 / 300 ºK = 9,66 µ (I.R.)

34 Radiación Terrestre (1) Conclusión: como resultado de la aplicación de las mismas leyes de la radiación, la TIERRA emite mucho menos energía (aspecto cuantitativo) y en longitudes de onda mayores que el SOL (aspecto cualitativo)

35 Radiación solar(o. corta) y radiación terrestre(o. larga)

36 crecientes, decrecientes Líneas y Bandas de absorción de los principales gases de invernadero de la atmósfera CH 4 N 2 O O 2 y O 3 CO 2 Ventana atmosférica H 2 O total

37 crecientes, decrecientes

38 Radiación terrestre (2) 1 nm = 10-3 m = 10-9 m ; 1 m = 10-6 m

39 Radiación Terrestre Efectos de la presencia de atmósfera: Absorción selectiva: el vapor de agua y el anhídrido carbónico son los principales gases presentes en la atmósfera que absorben en forma significativa el espectro de onda larga que emite la TIERRA. Parte de esta radiación de onda larga absorbida por la atmósfera es emitida al espacio exterior y parte vuelve a la TIERRA como contrarradiación Esa energía retenida por la atmósfera genera el llamado Efecto invernadero

40 Este es el efecto invernadero natural: Pero la mayoría es absorbida por la superficie terrestre y la calienta (radiación InfraRoja). Parte de la radiación infrarroja pasa a través de la atmósfera y parte es reabsorbida y reemitida en todas direcciones por las moléculas de gases con efecto invernadero (CO 2, H 2 0, 0 3, CH 4, N 2 0, CFCs...) 1º La radiación solar pasa a través de la atmósfera 2º Algo de la radiación solar se refleja por la tierra y la atmósfera 3º El resultado es el calentamiento de la superficie terrestre y de la baja atmósfera

41 Radiación Terrestre (RECORDEMOS) Ventana atmosférica: las longitudes de onda larga entre 8,5 y 11µm no son absorbidas por la atmósfera y por lo tanto es energía que escapa al espacio exterior (salvo ~ 9,6 m que es absorbida por el O 3 )

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43 CONTRARRADIACIÓN % Originada debajo de : 9,3 0,1 m 15,9 0,4 m 20,3 0,8 m 25,8 2,0 m 35,0 6,0 m 44,6 20 m 58,9 100 m 74,6 400 m 84, m 98, m Termómetro mínima a 5 cm las laderas del Chimborazo

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45 Evolución de la concentración de C02

46 Evolución de la concentración de N 2 O

47 Evolución de la Concentración de Metano

48 Lo mismo pero en escala geológica (miles de años)

49 Los Gases de Efecto Invernadero y su afectación por las actividades humanas Descripción CO 2 CH 4 N 2 O CFC-11 HFC-23 CF4 Concentración pre industrial 280 ppm 700 ppb 270 ppb ppt Concentración en ppm ppb 314 ppb 268 ppt 14 ppt 80 ppt Permanencia en la atmósfera de 5 a 200 años 12 años 114 años 45 años 260 años ~ años Fuente: ICCP, Clima 2001, La base científica, Resumen técnico del Informe del Grupo de Trabajo I, p ppm=parte por millón ; ppb=parte por billón equivale a mil millones, o sea, , o bien 10 9 ; ppt =parte por trillón o sea, , o bien 10 12

50 GWP nos da una medida de la capacidad de una sustancia para contribuir al calentamiento global mediante el conocido efecto invernadero. El índice se calcula sobre un periodo de cien años, tomando como referencia la capacidad del dióxido de carbono, al que se asigna por convenio un valor GWP de 1 CO 2 = dióxido de carbono; N 2 O = óxido nitroso; HFCs= hidrofluorcarbono; SF 6 = Hexafluoruro de azufre; PFCs=perfluorcarbono

51 Radiación terrestre (onda larga) saliente efectiva (R Lef ) Ecuación de Brunt: R Lef = σt 4.(0,56-0,08 e).(0,1+0,9 n/n) T : Temperatura de la superficie (ºK) e : Presión de vapor ( hpa) n/n : Heliofanía relativa P atm = P d + e ley de Dalton de los gases

52 muchas gracias Dr R. Mario Caffera Prometeo