02 Radiación Solar y Estaciones

RADIACIÓN SOLAR Y ESTACIONES
Algunos conceptos básicos…
• ENERGIA = habilidad para realizar un
trabajo y se mide en joule (j) en el SI
• PODER = tasa a la cual la energía es
liberada, transferida o recibida y se mide
en watt (W)
1W= 1joule por segundo
(1 joule = 0.239 calorías).
• La energía solar emitida, es
transferida a la tierra en forma de
radiación electromagnética, una
parte es absorbida por la
atmosfera y otra por la superficie
terrestre.
• Esta radiación provee la energía
para el movimiento de la
atmósfera, el crecimiento vegetal,
la evaporación del agua etc…
Transferencia de Energía
• Conducción
• Convección
• Radiación
1. Conducción
• Movimiento de E a través de una
sustancia sin aparente movimiento de
moléculas.
Vara metálica
ē
ē
Se calienta y
las moléculas
ganan energía
(transf. ē)
ē
ē
ē
La trasferencia de
energía desde la
parte caliente a la
fría es conducción
OJO: a pesar de
que el calor se
movió por la vara,
las moléculas que la
componen no se
movieron!
2. Convección
• Transferencia de calor producto de la mezcla de
un fluido acompañado por movimiento del medio
(liquido o gas).
El movimiento ascendente y
descendente genera un
rápido movimiento no solo de
masa sino que de energía
térmica en la circulación del
agua.
Agua mas caliente se
expande (disminuye su
densidad) y sube
3. Radiación
• De los tres mecanismos de transferencia
de E, la radiación es el único que puede
propagarse sin un medio de transferencia.
• Es decir, a diferencia de la conducción y la
convección, la transferencia de energía
por radiación puede ocurrir por un espacio
vacío.
Un 99% de la energía disponible en la tierra
viene del “espacio”, principalmente de la
Vía Láctea.
La atmósfera también recibe
pequeñas cantidades de
radiación de muchas estrellas
del universo que incluso llegan
a la superficie terrestre, pero
no son comparables con la
recibida por el sol
Todo material emite
radiación
electromagnética
salvo aquel que se
encuentra a 0 ºK
Onda electromagnética
Ambas componentes van perpendicular a la otra y están
completamente coordinadas, subiendo y bajando al mismo
tiempo.
CANTIDAD DE RADIACIÓN:
En el caso de la radiación, la cantidad está
asociada con la amplitud de la onda (el alto).
La cantidad de energía llevada es
directamente proporcional a la amplitud de
onda.
CALIDAD O TIPO DE RADIACION:
La calidad o tipo de radiación está
relacionada a la longitud de onda (distancia
entre las crestas de la onda)
La radiación electromagnética consiste en una componente
eléctrica (E) y en otra magnética (M) simultaneamente.
A medida que la radiación viaja, las ondas migran en la dirección
señalada en rosado.
¿COMO ES LA AMPLITUD DE a y b?
Las ondas en (a) y en (b) tienen la misma
amplitud, por lo tanto la intensidad de
radiación es igual (cantidad)
¿COMO ES LA LONGITUD DE ONDA DE a
y b?
(a) tiene una longitud de onda mas corta,
por lo tanto es cualitativamente diferente
a (b)
Dependiendo de la L.O. exacta , la
radiación de (a) podría atravesar la
atmósfera, mientras que la de (b) podría
ser absorbida.
Algunos tipos de radiación (se miden en
micrómetros, o micrones)
Los rayos x tienen una longitud de onda tan pequeña que atraviesan
tejidos blandos.
La luz visible tiene una L.O. mas larga y es absorbida por la piel
Toda radiación electromagnética
viaja a la velocidad de la luz
¿CUAL ES LA VELOCIDAD DE LA
LUZ?
• 300.000 km/segundo
• 8 minutos para radiación del sol a la tierra.
• 4.3 años desde Proxima Centauri
Clasificación de energía electromagnética según
su longitud de onda
El espectro
visible no
tiene nada
especial
(excepto su
propia LO).
Nuestros
sistema
nervioso
evolucionó
para percibirlo
La Luz
•
•
•
•
•
•
Violeta:
Azul:
Verde:
Amarillo:
Naranjo:
Rojo:
0.36 µm (micrometro)
0.42 µm
0.49 µm
0.54 µm
0.59 µm
0.76 µm
El blanco es la suma de todos los colores
TODOS LOS OBJETOS EMITEN ENERGÍA, Y NO SOLO EN UNA UNICA
LONGITUD DE ONDA
Sol emite mayor radiación / peack de longitud de onda corresponde a tipos
diferentes
Los cuerpos que poseen mayor temperatura
emiten mas energía que los cuerpos que están
mas fríos.
• La intensidad de la energía irradiada por un
cuerpo aumenta en relación el exponente cuarto
de su temperatura absoluta
Ley de StephanBoltzmann
I=σT4
I=σT4
Intensidad de
la radiación
(watts por m2)
Temperatura
del cuerpo
en °kelvin
Cte. Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 por m2 por K4)
Superficie terrestres 288K (15°C)= 390 watts/m 2
Superficie solar 5800°K (5500°C)=64 000 000
watts/m2
Para todo cuerpo radiante, la longitud de onda emitida con
mayor intensidad de su espectro ( peak de emisión en
micrómetros) está dado por la ley de Wien o de emisiones
máximas.
λmax = constante (2900)/T
Donde λmax se refiere a la longitud de onda de la energía
irradiada con mayor intensidad.
La ley de Wien nos dice que los objetos más calientes
emiten energía en longitudes de onda mas cortas que los
cuerpos mas fríos.
La radiación solar es mas intensa en la porción de radiación
visible del espectro
La radiación solar posee longitudes de onda menores a 3
µm y que por lo tanto corresponden a ondas cortas de
radiación
La radiación emitida por la superficie terrestre y la atmósfera
consisten en longitudes de onda larga.
• El SOL emite gran cantidad de
energía. ¡Menos mal estamos
lejos!
• La energía electromagnética
que viaja desde el sol no
disminuye en el trayecto, sino
que se distribuye en una gran
superficie lo que reduce su
intensidad.
• En otras palabras: la radiación
que viaja por el espacio tiene la
misma cantidad de energía, y
tiene la misma longitud de onda
que cuando salió del sol.
Entonces, ¿cual es la intensidad de la radiación solar que recibimos en la
Tierra?
Consideremos una esfera
rodeando el sol, cuyo
radio sea la distancia
promedio entre el sol y la
tierra (1.5 x 1011m)
A medida que
aumenta la distancia
desde el Sol, la
intensidad de la
radiación disminuye
en proporción inversa
a la distancia 2
Ley cuadrática
inversa
Constante Solar
Emisión total solar =
Área de nuestra
esfera imaginaria
que rodea al sol
3.865 x 1026 W
= 1367 W / m2
4 π (1.5 x 1011m) 2
Área de una esfera, 4 π r2
Para Marte 445 W / m2
La intensidad de
radiación que recibe 1
m2 perpendicular a los
rayos y a una
distancia promedio
Sol- Tierra
La constante solar (1367 W/m2 o 1.94
cal/cm2/min) es la cantidad de energía
proveniente del sol recibida en la parte
exterior de la atmósfera por una
superficie de 1m2 perpendicular a los
rayos provenientes del sol. Nuestro
planeta intercepta sólo una mil
millonésima parte de la radiación
emitida por el sol.
¿La radiación solar es constante a lo largo del año y
en cualquier lugar de la tierra?
Radiación 7% >
intensidad
La Tierra orbita el Sol una vez cada 365 1/4 días.
La órbita alrededor del sol es conocido como el plano
eclíptico y al “viaje anual” de la tierra entorno a este plano,
como la traslación de la Tierra.
Como la orbita es elíptica, la Tierra está más cerca del Sol
(perihelio) alrededor del 3 de enero (147,000,000 km),
y más lejos del Sol
(afelio) aproximadamente el 3 julio (152,000,000 km).
La Tierra también rota sobre su
propio eje y esto se llama
movimiento de rotación.
Una revolución 24 horas (23 hrs.
con 56m)
El eje de rotación terrestre no es
perpendicular al plano de la
eclíptica, sino que esta inclinado
en 23.5°.
El eje esta siempre
inclinado en la misma
dirección y siempre
apunta a una estrella
lejana llamada Polaris
(Estrella del Norte).
La constancia de esta inclinación provoca
que la mitad del año el Hemisferio Norte
este orientado hacia el sol y la otra mitad
del año lo esté el hemisferio sur.
¡Este cambio en la orientación
(inclinado hacia el sol o alejado
del sol) del los hemisferios es la
verdadera causa de las
estaciones!
POSICIÓN 1
Imaginemos una inclinación de 90°(como Urano), no 2 3.5°
24 hrs. luz HN / 24
hrs. oscuridad HS.
Mas calor en HN!
En el polo norte uno
tendría el sol sobre
la cabeza las 24hrs.
En el Ecuador el sol
siempre esta en el
horizonte y bajo eso
(circle ilumination)
esta la oscuridad.
POSICIÓN 3
Ocurre 6 meses
después …
HS luz continua,
HN oscuridad …
POSICION 2 Y 4
La inclinación de 90°no hace estar ni
mas expuesto ni menos expuesto a
ningún hemisferio (es irrelevante) ya
que cada hemisferio tiene 12 horas de
luz y oscuridad
Pero lo que ocurre es que el eje de la Tierra está inclinado 23.5°no 90°
HN mas
cerca del
sol
HS mas
cerca del
sol
El Hemisferio Norte tiene su máxima inclinación hacia el
sol aproximadamente el 21 de Junio
(Solsticio de junio, Solsticio de Invierno para
nosotros).
.
Día con
mayor
insolación en
el HN y el
menor para
HS
Entremedio de estos
dos solsticios están
el equinoccios de
marzo (21 Marzo
aprox., nuestro
equinoccio de otoño)
y el equinoccio de
septiembre (21
Septiembre).
En los equinoccios,
todo lugar en la
Tierra recibe 12
horas de día y 12
horas de noche y los
dos hemisferios
reciben la misma
cantidad de energía
Equinoccio=“ noche equivalente”
Seis meses mas tarde (cerca del 21 de Diciembre), el Hemisferio Norte
tiene su disponibilidad minima de radiación solar (Solsticio de
diciembre, Solsticio de Verano para nosotros).
En el HS se
le designa
como el día
que
comienza el
verano, pero
en realidad
es el día con
mayor
disponibilidad
de insolación.
Las transiciones de una posición a otra son una
progresión continua
La inclinación
hacia el sol en el
solsticio de
junio, genera el
punto subsolar
(donde los rayos
inciden en 90°)
Desde este
punto hasta el
Ártico, el sol
nunca se verá
directo sobre la
cabeza (nunca
incidirá
perpendicular)
Esta latitud se llama
TROPICO DE
CANCER (23.5°N)
SOLSTICIO DE JUNIO
Un paréntesis….
El punto sub solar determina otras dos
latitudes importantes:
SOLSTICIO DE
DICIEMBRE
Trópico de
Capricornio (23.5°S)
Durante los dos
equinoccios, el punto
sub polar está en el
Ecuador
La orientación de la Tierra con
respecto al sol afecta directamente la
recepción de la insolación a través de
tres mecanismos
• 1. El periodo de insolación durante las 24 horas
• 2. El ángulo en el cual la radiación incide sobre
la Tierra (ángulo de incidencia solar)
• 3. La cantidad de atmosfera que la radiación
debe penetrar hasta llegar a la superficie.
1. Periodo de insolación diario
• Una de las consecuencias de la
inclinación del eje terrestre, es el tiempo
de duración del día y la noche.
• Como la Tierra esta inclinada sólo 23.5°
las latitudes por sobre los 66.5°
experimentan periodos de 24 horas luz o
obscuridad.
¿Qué lugares geográficos son estos?
• Estos puntos son el
Circulo Polar Ártico y
Antártico.
• En el solsticio de Junio todo
punto al norte el CP Ártico tiene
24 hrs de luz.
• Moviéndonos hacia el Ecuador
el periodo de luz decrece hasta
llegar al Ecuador en donde hay
12 hrs de luz y 12 de noche.
• Luego pasando el Ecuador
hacia el HS, el periodo de luz se
acorta hasta los 66.5°S en
donde hay oscuridad las 24 hrs.
Solsticio de junio
Solsticio de diciembre
Equinoccio de marzo
2. Ángulo de incidencia Solar
• Dispersión del haz: el aumento de la
superficie en la cual la radiación es
distribuida en respuesta a la disminución
del ángulo solar .
• Mientras mayor es el esparcimiento de la
radiación , menor es la intensidad de la
radiación.
a: luz llega en 90°y se
concentra en una
superficie pequeña e
incrementa la
disponibilidad de calor
en ese punto.
b: luz llega en ángulo
oblicuo por lo tanto la
luz debe distribuirse en
un área mayor …menor
intensidad (por unidad
de área)
Ángulo de incidencia solar al medio
día
• Podemos saber el ángulo exacto de medio día, si sabemos la
declinación solar
Cambios en el largo del día
(izquierda) y ángulo de
declinación solar de medio día
(a la derecha) en los
equinoccios (a), solsticios de
Junio (b), solsticio de
Diciembre (c)
Arcos solares en Valdivia
3. Dispersión del haz de radiación
en la atmosfera
Insolación
atravesando la
atmosfera en 90°,
atraviesa una
distancia menor
que la de ángulos
menores (mas
oblicuos)