2. la radiación solar

Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
2. LA RADIACIÓN SOLAR
La radiación solar es emitida por el Sol, que se comporta como un
cuerpo negro a aproximadamente 6000 K. La radiación incidente en la
parte superior de la atmósfera se denomina radiación solar
extraterrestre, que está en un 97% confinada en el rango espectral de
290 a 3000 nm.
Figura 1. Radiación solar y su interacción con el campo magnético terrestre
La radiación emitida por el Sol comprende una gama continua y
muy extensa de longitudes de onda como se puede observar en la figura
2. Luz es la radiación visible para el ojo humano que se centra en la
región entre 400 y 730 nm. La radiación con longitudes de onda
inferiores a 400 nm se denomina ultravioleta y mayores que 800 nm se
denomina infrarrojo. A su vez, la región del ultravioleta se subdivide en
otras tres regiones: UV-A (315 – 400) nm, UV-B (280 – 315) nm y UV-C
(100 – 280) nm.
Tabla 1. Principales características del Sol
3 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
Figura 2. Espectro de radiación electromagnética
Parte de esta radiación penetra a través de la atmósfera y llega a
la superficie terrestre mientras que otra porción es dispersada y/o
absorbida por las moléculas de gas, partículas de aerosol, gotas de agua
u otros componentes atmosféricos. Estos eventos se conocen como
procesos de interacción radiación- atmósfera: el de la absorción y el de
dispersión o scattering. El proceso de absorción provoca que la radiación
transmitida no tenga el mismo espectro que la incidente, ya que se
produce atenuación para determinadas longitudes de onda. El espectro
observado desde la superficie terrestre determina de forma unívoca el
tipo de molécula que interviene en la absorción. El otro tipo de
interacción radiación–materia es el scattering. En este proceso la
radiación que incide sobre una partícula se redistribuye en distintas
direcciones, dependiendo del tamaño de la partícula y de lo energética
que sea la radiación. Este fenómeno no modifica el espectro de la
radiación.
Por tanto, la radiación solar medida desde la superficie terrestre
tiene dos componentes: la radiación directa (B), la cual después de
sufrir el proceso de atenuación llega a la superficie terrestre sin haber
modificado su dirección, y la radiación difusa (D), que después de sufrir
el proceso de scattering llega al punto de medida desde cualquier
dirección excepto en la del Sol. La suma de la radiación directa y la
difusa sobre el plano tangente a la superficie terrestre en el punto de
medida, es igual a la radiación global (G). Si denominamos θ al ángulo
cenital solar, la expresión para la radiación global es,
G = B + Dcosθ
B
4 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
Tabla 2. Magnitudes radiométricas
2.1. Flujo radiante
Sea Q la energía transportada por la radiación, medida en Joule
(J). Se define el flujo radiante como la cantidad de energía luminosa por
unidad de tiempo.
dQ
φ=
(W )
dt
Se define la densidad de flujo radiante F como el flujo que
corresponde a la unidad de área de la superficie iluminada.
F=
dφ
(Wm −2 )
dA
Hay que diferenciar entre la densidad de flujo que llega a una
superficie llamada irradiancia (I) y la que emerge denominada emitancia
5 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
(M). Estas dos magnitudes tienen su forma espectral cuando hay una
dependencia con la longitud de onda. Su unidad de medida es (Wm−2
nm). La radiancia es el flujo radiante por unidad de ángulo sólido
cruzando un elemento de superficie perpendicular a la dirección del haz
de radiación.
L=
dφ
(Wm −2 sr −1 )
d ΩdA cos θ
Figura 3. Geometría para el cálculo de la Irradiancia
Cuando nos referimos a la radiación solar, la magnitud física que
vamos a medir es la irradiancia, y si atendemos a la clasificación
anteriormente señalada de las componentes de radiación, podemos
definir la irradiancia directa como la radiancia en la dirección del sol, con
el ángulo que subtiende el sol.
2.2. La radiación solar a su paso por la atmósfera.
Antes de alcanzar cualquier punto de la superficie de la Tierra, la
radiación solar ha de atravesar la atmósfera terrestre, en la que se ve
sometida a un proceso de atenuación dependiente de la longitud del
camino recorrido. Este proceso viene determinado por la altura y
posición del sol, y también con notable influencia de las variaciones de
la composición atmosférica. En general, se pueden esquematizar los
fenómenos de interacción de la radiación con la atmósfera como se
indica en la figura x. En ella se observa que a un determinado lugar de
la superficie terrestre, la radiación solar llega tanto en forma de
radiación directa, que no ha sufrido modificación en su dirección desde
6 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
el Sol, como de radiación difusa, procedente de todas las direcciones de
la semiesfera celeste por encima del plano horizontal así como de la
reflexión de la radiación por el suelo, radiación reflejada.
Figura 4.Componentes de la radiación solar
Desde muchos puntos de vista es importante predecir, en función
del tiempo, la cantidad global de radiación solar, descompuesta en sus
componentes directa y difusa, que alcanza un lugar de la superficie
terrestre. Este cálculo, que resultaría fácil de realizar si no existiese
atmósfera, resulta prácticamente imposible debido en gran parte a la
variabilidad en la composición de la atmósfera terrestre.
Existen tres metodologías diferentes que pueden emplearse para
la determinación de la radiación incidente sobre la superficie terrestre:
• De un lado, y a partir de la composición de la atmósfera y del estudio
de los efectos que causan sobre la radiación solar, se establece una
modelización a través de una serie de coeficientes atmosféricos, se
determinan las componentes directa y difusa y de éstas la global, en
cualquier lugar de la superficie terrestre. Este camino, que conlleva
una gran complejidad, haciéndose necesario acudir a ciertas
7 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
simplificaciones que afecta sobre todo a los citados coeficientes de
transmisión y atenuación atmosféricos, se caracteriza por su apoyo en
fundamentos físicos, al basarse en los procesos que experimenta la
radiación solar a su paso por la atmósfera terrestre. El tratamiento
matemático de estos procesos es bastante complejo, y está limitado
además por la necesidad de disponer de series temporales de medidas
de parámetros meteorológicos, que si bien en algunos lugares de
Europa y Estados Unidos están disponibles, no lo están tanto en el
resto del mundo.
• De otro, y a partir del análisis de series temporales de valores medidos
de irradiación (normalmente irradiación global en plano horizontal)
medidos o calculados a partir de series de horas de Sol, y del estudio
estadístico de estas series, obtener también las componentes directa y
difusa y de ellas la global, en cualquier lugar de la superficie terrestre,
del cual se tenga información medida. Últimamente, este método se
está apoyando adicionalmente en imágenes de satélite que permite
una mayor extensión espacial. En cualquier caso, hay que apoyarse en
medidas realizadas en la superficie terrestre.
• Por último, y éste es el caso que más nos interesa, pues es el objeto
de el presente estudio, la toma de datos de irradiancia global, directa y
difusa. Se realiza directamente con unos sensores específicos,
pirheliómetros y piranómetros, de los cuales hablaremos en
profundidad más adelante. Se registran gran cantidad de datos, se
analizan estadísticamente para obtener valores medios diarios y/o
mensuales.
2.3. Interacción de la radiación solar con la
atmósfera terrestre
El primer paso necesario para el estudio de la interacción de la
radiación solar con la atmósfera terrestre, es el conocimiento de la
composición de ésta, primero en ausencia de nubes y posteriormente
analizando el efecto de la contribución de las mismas.
2.3.1.
Composición de la atmósfera terrestre
La estructura vertical de la atmósfera terrestre, ha sido descrita
desde comienzos de este siglo a través del concepto de atmósfera
8 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
estándar. En realidad, esta composición normal varía de forma
importante tanto en tiempo como en espacio en lo que respecta al vapor
de agua, dióxido de carbono, ozono, monóxido de carbono y metano.
Desde el punto de vista de la atenuación de la radiación solar, los
componentes atmosféricos más influyentes son las moléculas de aire, de
ozono, de dióxido de carbono, vapor de agua, y aerosoles (componentes
no gaseosos), estos últimos de importancia destacable. Hacemos un
breve repaso de cada uno de ellos.
Ozono.
El contenido de ozono se mide por el denominado espesor normal de
ozono, que se define como su propio nombre indica como el espesor que
se alcanzaría si todo el ozono de una columna vertical de área unidad
estuviera en condiciones normales de presión y temperatura. Se suele
representar en cm ó mm y su valor habitual está comprendido entre 2 y
5 mm. Aunque varía según el lugar y la época del año, su efecto en la
atenuación de radiación solar es, sin embargo, poco variable, aunque
muy importante porque afecta a la parte ultravioleta del espectro que es
la de mayor intensidad energética. La incidencia sobre los seres vivos es
muy crítica. Se trata de un componente sensible a la presencia, en las
capas altas de la atmósfera, de moléculas halogenadas originadas en la
actividad humana.
Vapor de agua.
El contenido de vapor de agua viene determinado por un parámetro de
significado similar al definido para el ozono. En muchas publicaciones, se
le suele denominar agua precipitable; aquí no obstante, se sugiere otro
nombre que representa mejor su auténtico significado: espesor de agua
condensable, y que se define como el espesor de la capa de agua líquida
que se tendría, a nivel de suelo, condensando todo el vapor de agua
contenido en una columna vertical de área unidad y altura la de la
atmósfera. Se suele expresar en cm y está en el orden de magnitud de
3,5 cm
Aerosoles.
Los aerosoles son pequeñas partículas sólidas o líquidas suspendidas en
el aire cuyos tamaños están comprendidos entre 0,002 µm a más de
100 µm de radio. El contenido de aerosoles de la atmósfera se mide en
número de partículas por unidad de volumen, en términos de turbidez
atmosférica o mediante el parámetro óptico conocido por visibilidad. Los
aerosoles pueden ser de procedencia terrestre (humos, polen, cenizas
de erupciones volcánicas, incendios forestales, combustión de carbón,
9 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
polvo, arena de tormentas, etc.) o de procedencia marina (cristales de
sal, núcleos de sales higroscópicas en los que condensa el agua, "ocean
sprays").
Figura 5. Imagen del sensor SeaWIFS mostrando imagen de aerosol procedente del
Sahara
2.3.2.
Recorrido óptico atmosférico
Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera, cada molécula (o
partícula en el caso de aerosoles) que la compone, atenúa parte de la
energía asociada a dicha radiación. Esta atenuación es función del tipo y
número de moléculas presentes en el camino de los rayos solares.
En consonancia con esto, se define para cada tipo de componente
atmosférico, lo que se denomina masa óptica. Este parámetro no es más
que una integración a lo largo del camino recorrido por un rayo solar, de
la densidad del componente de que se trate (ozono, moléculas de aire,
vapor de agua, etc.), y representa por tanto, la masa de sustancia
contenida en ese camino.
10 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
Generalmente la masa óptica se define en relación al camino
óptico vertical en dirección cenital (cuando el sol está en el cenit) y en
un lugar situado a nivel del mar. Este recorrido óptico unidad, se
corresponde con una columna vertical de 1 cm2 de sección desde la
altura 0 (nivel del mar) hasta el límite superior de la atmósfera. Si ésta
fuese homogénea y estuviese en condiciones normales de presión y
temperatura, la altura de esta columna sería de unos 8 km.
aproximadamente.
2.3.3.
Interacción de la radiación solar con la
atmósfera sin nubes
La radiación solar, en su camino hacia la superficie terrestre, sufre
dos tipos de interacciones:
-Difusión o dispersión
-Absorción.
Estos fenómenos dependen tanto de la naturaleza, cantidad y
propiedades ópticas de los componentes atmosféricos, como de la
distribución espectral de la radiación. Una parte de la radiación, llega al
suelo en línea recta, desde el disco solar, denominándose radiación
directa. La otra que se denomina componente difusa, y procede de toda
la bóveda celeste, está compuesta tanto por la difundida en la atmósfera
(debido a que la difusión se realiza en todas direcciones, una parte es
devuelta al espacio), la radiación solar procedente de reflexiones
múltiples entre el suelo y la atmósfera, la emitida por los componentes
atmosféricos (de onda muy larga) y la que procede de reflexiones en la
atmósfera de la radiación terrestre (también de onda muy larga).
Figura 6. Dispersión
11 de 108
Procedimiento de Mantenimiento y
Calibración de Estación Radiométrica
Daniel Pérez Carrasco
Es de gran importancia, el conocimiento del efecto de la
atenuación producida por la atmósfera en la radiación incidente, sobre
todo de cara a poder calcular la irradiación que llega a un lugar
determinado de la superficie terrestre, a partir del valor conocido de la
radiación extraterrestre.
2.3.4.
Absorción de la componente directa
En el apartado anterior se han explicado someramente los
fenómenos de atenuación por difusión de la componente directa de la
radiación, los cuales pueden representarse mediante una expresión
analítica en función de la longitud de onda.
El fenómeno de absorción tiene lugar de forma discreta en bandas
centradas en diferentes longitudes de onda y de anchura diversa. Así
podemos distinguir, de una parte, absorbedores moleculares (gases y
vapor de agua) cuyas bandas de absorción están situadas sobre todo en
el infrarrojo, y absorbedores atómicos (oxígeno y nitrógeno), que junto
al ozono, oxigeno y nitrógeno moleculares, son causantes de la
absorción en el ultravioleta y el visible.
12 de 108