Tema 2. La importancia de la superficie en los balances de energía a y agua. 1. Nociones generales sobre el balance de energía 1.1. Los caracteres de la radiación 1.2. Procesos experimentados por la radiación 1.3. La travesía atmosférica de la radiación 2. El balance de energía en el conjunto del sistema 3. El balance diario de energía 4. El balance de agua
CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN RADIACIÓN Forma de energía debida oscilaciones rápidas de los campos electromagnéticos. Fotones Ondas (λ) Espectro electromagnético 10 5 m 10-4 μm Clima 0,1 100 μm Radiación visible 0,36 0,7 μm
PRINCIPIOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LA RADIACIÓN Emisión T > -273ºC= 0K Máximos emisores = Cuerpos negros ε = 1 LEY DE PLANK La cantidad de radiación emitida por un cuerpo negro está en relación con la longitud de onda y produce una curva próxima a la normal LEY DE STEFAN-BOLTZMAN Energía emitida = εσt 4 Energía emitida = Flujo radiante (W= Julseg -1 ) σ = constante de Stefan-Boltzman = 5,6710-8 W m-2 K-4 T = Temperatura de la superficie en K Densidad de flujo radiante (W m -2 ) Irradiancia Emitancia LEY DE WIENS ΔT Δλ λ max = 2,8810-3 /T Sol 6000K 0,15 3 μm (99%).. λ < 3 = Onda corta Tierra... 300K... 3 100 μm (99%).. λ > 3 = Onda larga
PROCESOS EXPERIMENTADOS POR LA RADIACIÓN Energía transmitida Energía reflejada Energía absorbida ψ λ + α λ + ζ λ = 1 ψ λ = Proporción de energía λ transmitida en relación con la energía incidente. α λ = Proporción de energía λ reflejada en relación con la energía incidente. (Para la energía solar = albedo). ζ λ = Proporción de energía λ absorbida en relación con la energía incidente. LEY DE KIRCHOFF ζ λ = ε λ Cuerpos negros ζ λ = ε λ = 1 α λ = ψ λ = 0 Cuerpos opacos (ψ λ = 0) α λ = 1 - ζ λ = 1 - ε λ
LA TRAVESÍA ATMOSFÉRICA DE LA RADIACIÓN ψ a + α a + ζ a = 1 ONDA CORTA ζ a Poca absorción de onda corta, especialmente en λ max α a K = S + D S = S i cos θ S = Densidad de flujo radiante en la superficie S i = Densidad de flujo radiante normal a la superficie θ = Ángulo formado entre el rayo y la normal a a superficie. ONDA LARGA -Fuerte absorción (H 2 O, CO 2, O 3 ) -Ventana atmosférica (8 11 μm ) -Fuerte emisión ( L ), salvo en la ventana atmosférica -Importante contraradiación ( L )
OTROS PROCESOS DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA CONDUCCIÓN Transmisión de calor hacia el interior de una sustancia mediante la colisión de moléculas en movimientos muy rápidos. Sólidos Líquidos Gases Muy escasa en la atmósfera, salvo en la capa laminar Mecanismo eficaz de transmisión desde la atmósfera hacia la superficie. CONVECCIÓN Intercambio vertical de masas de aire Líquidos y gases (no sólidos) Tipos de convección: Libre: Inestabilidad (densidad del aire) Forzada o mecánica: Presencia de obstáculos Mixta. FORMAS DE CALOR INTERCAMBIADO Sensible Latente: Absorción de energía Sólido Líquido (Fusión) Líquido Vapor (Evaporación) Liberación de energía: Vapor Líquido (Condensación) Líquido Sólido (Congelación)
L * = -114 + 96 = -18 t L*a = -163 + 109 = -54 Lesp ext= 67 + 5 = 72 Ext.: 28 + 72 = 100 Atm. : 25-54 = -29 Tierra: 47 18 = 29
EL BALANCE DIARIO DE ENERGÍA EL BALANCE DE CALOR Q* = Q H + Q LE + Q G Día = Positivo Q LE > Q G > Q H Noche: Negativo Q G > Q H > Q LE EL PAPEL DE LA NUBOSIDAD Reducción de K ( puede llegar al 10% de reducción). Aumenta la variabilidad de K Aumenta D en detrimento de S Aparición de picos de máxima radiación (cúmulos laterales). K* L* Muy afectado dado el carácter de cuerpo casi negro de las nubes (buenas absorbentes y emisoras). L aumenta Atenúa las variaciones del balance neto de energía: -Día: Atenúa K -Noche: Atenúa L El efecto final depende de la temperatura de la base de la nube (mayor efecto de las nubes bajas que las altas).
EL BALANCE DE AGUA Características del agua ALTA CAPACIDAD CALORÍFICA (Cantidad de calor absorbido (liberado) por unidad de Volumen de un sistema Para una correspondiente Subida (bajada) de Temperatura de 1º). Jul m 3 K -1 Buen almacenador de energía TODOS LOS ESTADOS A TEMPERATURA NORMAL Sólido a líquido = Fusión L F = 0,334 MJ Kg -1 a 0ºC Líquido a vapor = Vaporización L V = 2,5 MJ Kg -1 a 0ºC LV = 2,48 MJ Kg-1 a 10ºC LV = 2,45 MJ Kg-1 a 20ºC Sólido a vapor = Sublimación L S = L F + L V Atenuador de la temp.
EL BALANCE DE AGUA DEL SUELO Escala planetaria P = E Escala local P = E + R + f, donde R = Variación de la escorrentía F = infiltración o bien P = E + R + S, donde S = Variación del contenido de humedad del suelo P = input normal de agua del suelo (episódico) E + R = output normal de agua del suelo (contínuo) Si P = 0, E = S Interferencia del balance de agua en el balance de energía S (propiedades energéticas de la superficie) E (elemento común entre ambos balances) Q E = L E
CARACTERISTICAS SUPERFICIALES RELEVANTES PARA LOS BALANCES CARACTERES DE LA SUPERFICIE INFLUENCIAS Topografía Radiación incidente de onda corta Albedo Energía reflejada Temperatura Energía emitida Humedad Evaporación y calor latente