introduccion energia solar
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breve introducción energía solarTRANSCRIPT
Tema 1 Energiacutea Solar La energiacutea solar caracteriacutesticas del Sol y su radiacioacuten Componentes directa difusa y global de la radiacioacuten modelos Influencia de la latitud inclinacioacuten y nubosidad Movimiento aparente del Sol
EL SOL
Figura 1 El sol (Fuente httpwwwsolarviewscomspansun)
El sol es la estrella maacutes proacutexima a la Tierra y se encuentra a una distancia promedio de 150 millones de kiloacutemetros Es la principal fuente primaria de luz y calor para la Tierra Un anaacutelisis de su composicioacuten en funcioacuten de su masa establece que contiene un 71 de Hidroacutegeno un 27 Helio y un 2 de otros elementos maacutes pesados Debido a que el Sol es gas y plasma su rotacioacuten cambia con la latitud un periodo de 24 diacuteas en el ecuador y cerca de 36 diacuteas en los polos (Ver tabla 1) La diferencia en la velocidad rotacional conjuntamente con el movimiento de los gases altamente ionizados generan sus campos magneacuteticos (Ver figura 2)
Figura 2 Campo magneacutetico del sol (Fuente httpwwwsolarviewscomspansun)
El Sol contiene maacutes del 99 de toda la materia del Sistema Solar y se formoacute hace 4500 millones de antildeos Ejerce una fuerte atraccioacuten gravitatoria sobre los planetas y los hace girar a su alrededor
Tabla 1 El Sol en Nuacutemeros
Masa (kg) 1989x1030
Masa (Tierra = 1) 332830
Radio ecuatorial (km) 695000
Radio ecuatorial (Tierra = 1) 10897
Gravedad en su superficie (Tierra=1) 28
Densidad 141
Periacuteodo Rotacional (diacuteas) 25-36
Energiacutea radiada por su superficie (kWm2) 63000
Energiacutea emitida por segundo Ergios
Kilovatios
3827x10
33
396x1023
Temperatura media en la superficie 5800 K
Edad (miles de millones de antildeos) 45
Componentes quiacutemicos principales Hidroacutegeno
Helio Oxiacutegeno Carbono Nitroacutegeno
Neoacuten Hierro Silicio
Magnesio Azufre Otros
Porcentaje 921 78
0061 0030 00084 00076 00037 00031 00024 00015 00015
Porcentaje en funcioacuten del nuacutemero de aacutetomos (Elaborada a partir de httpwwwsolarviewscomspansun)
ESTRUCTURA SOLAR
El Sol se encuentra formado por seis regiones principales (Figura 3) - El nuacutecleo contiene un 40 de la masa del Sol menos del 2 del volumen total
ocupa un cuarto del radio solar y genera el 90 de su energiacutea en un proceso de fusioacuten termonuclear en el cual el hidroacutegeno se transforma en helio El hidroacutegeno contenido en el nuacutecleo del Sol se encuentra ionizado como protones los cuales se fusionan formando nuacutecleos atoacutemicos de helio liberando energiacutea en el proceso
Su temperatura se estima en 15 millones de grados Kelvin (K) y su densidad de 150 gmcm3
- La zona radiativa circunda al nuacutecleo contiene un gas tan denso que los
fotones o radiacioacuten electromagneacutetica provenientes del nuacutecleo duran cientos de miles de antildeos atravesando esta zona para poder llegar a la superficie del Sol La energiacutea generada en el nuacutecleo se difunde a traveacutes de la zona radiativa por absorcioacuten y emisioacuten atoacutemica Las temperaturas en esta regioacuten alcanzan los
130000 K Esta zona estaacute localizada una distancia entre 160000 km y 485000 km del centro solar
- Zona convectiva es una regioacuten con mucha agitacioacuten donde circula el plasma
y los gases ascienden muy calientes se enfriacutean y descienden Esta circulacioacuten es el principal mecanismo de transferencia de energiacutea a la superficie solar Estos procesos convectivos son observados en la superficie del Sol como pequentildeos graacutenulos y supergraacutenulos en forma de celdas de 3000 km de radio
- La Fotosfera es la superficie visible del Sol rodea la zona convectiva posee
un espesor de aproximadamente 300 Km es gaseosa y de baja densidad (10-8 gcm3) Sus gases estaacuten fuertemente ionizados y con la capacidad de absorber y emitir radiacioacuten La mayor parte de la radiacioacuten solar que nos llega proviene
de esta capa su temperatura es cercana a los 5800 K En esta zona se observan aacutereas oscuras llamadas manchas solares las cuales son las partes
maacutes friacuteas de la superficie con temperaturas de 3800 K Su tamantildeo es similar al de un planeta alliacute se presentan intensos rizos magneacuteticos
- La Cromosfera que estaacute justo sobre la fotosfera es una fina regioacuten de gas
que se observa con un color rojizo-anaranjado de unos 10000 Km de espesor Es esencialmente transparente a la radiacioacuten emitida desde la fotosfera
- La Corona es la tenue atmoacutesfera exterior compuesta de un halo el cual soacutelo
se ve durante los eclipses totales de sol El sol es muy estable gracias a ello la temperatura en la Tierra es relativamente constante condicioacuten que permaneceraacute inalterable por mucho tiempo respecto a la
escala de la vida humana Ha cambiado muy poco en los uacuteltimos tres mil millones de antildeos y se estima no cambiaraacute mucho en los proacuteximos tres mil millones Por esta razoacuten se considera que su radiacioacuten es una fuente inagotable de energiacutea
Fotosfera
Zona convectiva
Zona
radiativa
Nuacutecleo
Cromosfera
Mancha
solar
Corona
Llamarada
Prominencia
Hueco coronal
Figura 3 Estructura del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
FLUJOS SOLARES
Para efecto de utilizacioacuten de la energiacutea solar el Sol puede considerarse de
manera simplificada como un cuerpo negro1[1] a una temperatura de 5762K A esta temperatura el Sol emite energiacutea que se propaga por el espacio a la velocidad de la luz y recorriendo la distancia media Sol-Tierra en 8 minutos 18 segundos esta notable lentitud del flujo de energiacutea es de gran importancia para la vida en el planeta Tierra pues asegura un suministro estable de energiacutea minimizando cualquier variacioacuten que pudiera ocurrir en el centro solar La energiacutea solar que ingresa a la Tierra representa su principal fuente energeacutetica el Sol proporciona el 997 de la energiacutea usada para todos los procesos naturales La energiacutea solar se crea en el interior del Sol donde la temperatura llega a los 15
millones K con una presioacuten altiacutesima que provoca reacciones nucleares Se liberan protones (nuacutecleos de hidroacutegeno) que se funden en grupos de cuatro protones para formar partiacuteculas alfa (nuacutecleos de helio) Cada partiacutecula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos La diferencia se expulsa hacia la superficie del Sol en forma de energiacutea En este proceso cada segundo una masa aproximada de 44 millones de toneladas irradia 396x1023 kilovatios Un gramo de
1[1]
El ldquocuerpo negrordquo se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie (absorbedor perfecto)
materia solar libera tanta energiacutea como la combustioacuten de 25 millones de litros de gasolina La radiacioacuten electromagneacutetica proveniente del Sol se propaga radialmente en el espacio vaciacuteo y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia Debido a que la densidad de partiacuteculas en el espacio es muy pequentildea (10-8 Kgm3) la radiacioacuten solar praacutecticamente no interactuacutea con la materia en su recorrido hasta la capa exterior de la Tierra La energiacutea transmitida por las ondas electromagneacuteticas no fluye en forma continua sino en forma de pequentildeos paquetes de energiacutea A estos conjuntos discretos de energiacutea se les denominan fotones La cantidad de energiacutea de los fotones es menor o mayor seguacuten la longitud de la onda electromagneacutetica La energiacutea de los fotones de las ondas largas como las de radio y televisioacuten es muy pequentildea En cambio la energiacutea de los fotones de las ondas muy cortas como los rayos X es grande En la parte superior de la atmoacutesfera terrestre sobre una superficie perpendicular a la radiacioacuten se presenta una potencia promedio de 1367 wm2 cantidad denominada Constante Solar
DISTANCIA TIERRA - SOL
La Tierra en su movimiento alrededor del sol describe una oacuterbita eliacuteptica algo desproporcionada con uno de sus extremos un poco maacutes cerca del Sol que el otro y en la cual la distancia promedio Tierra - Sol es de aproximadamente 14946 x 106 Km valor llamado Unidad Astronoacutemica (UA) La excentricidad de la oacuterbita de la Tierra es del 17
La orbita de la Tierra se puede describir en coordenadas polares mediante la siguiente expresioacuten
UA (1-e2) R = ---------------------- (1+ e cosa) Donde R = distancia Tierra-Sol UA = Unidad Astronoacutemica e = excentricidad de la oacuterbita terrestre (e = 001673) a = posicioacuten angular de la Tierra en la oacuterbita la cual se obtiene mediante la
siguiente expresioacuten
2 (nd ndash 1) a = -------------------------- 365
nd = nuacutemero del diacutea del antildeo
Figura 7 Movimiento de la tierra alrededor del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
En la figura 7 se muestra la posicioacuten angular (a) de la Tierra en la oacuterbita Cuando
a = 0 la Tierra se encuentra maacutes cerca del Sol (Perihelio) esto ocurre en enero y la distancia Tierra-Sol es de R = UA (1-e) = 0983UA = 1475 millones de km En
julio cuando a = 180 la Tierra se encuentra en la posicioacuten maacutes alejada del Sol (Afelio) con una distancia Tierra-Sol de R = UA (1+e) = 1017UA = 1526 millones de km Un Sol distante significa menos radiacioacuten solar para nuestro planeta Promediado sobre el globo la radiacioacuten del Sol sobre la Tierra durante el afelio es aproximadamente un 7 menos intensa de lo que es durante el perihelio Cuando se analiza el movimiento de rotacioacuten y translacioacuten de la Tierra se encuentra que su eje de rotacioacuten con respecto al plano de translacioacuten alrededor
del sol tiene una inclinacioacuten de aproximadamente 2345 Los patrones climaacuteticos de las estaciones se originan principalmente por la inclinacioacuten del eje de rotacioacuten El aacutengulo formado entre el plano ecuatorial de la Tierra y la liacutenea Tierra-Sol se denomina declinacioacuten solar (δ) como se aprecia en la figura 8 El signo de la declinacioacuten es positivo (+) cuando el sol incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio norte y negativo (-) cuando incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio sur Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este aacutengulo variacutea
durante el antildeo Su valor variacutea entre -2345 cuando el Sol se encuentra en la parte maacutes baja del hemisferio sur en el Solsticio (del latiacuten parada prolongada del
Sol) de invierno (22 de diciembre) y +2345 cuando se halla en la parte maacutes alta del hemisferio norte en el Solsticio de verano (21 de junio) siendo el diacutea maacutes largo del antildeo Dos veces durante el antildeo toma valor cero cuando el sol pasa sobre el Ecuador terrestre durante los equinoccios (de otontildeo el 23 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo) En el equinoccio (del latiacuten noche igual) la noche y el diacutea tienen la misma duracioacuten en todos los lugares de la Tierra
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
Libro de Fuentes Renovables Tema 1 Energiacutea Solar Fotovoltaica
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
Libro de Fuentes Renovables Tema 1 Energiacutea Solar Fotovoltaica
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
Tabla 1 El Sol en Nuacutemeros
Masa (kg) 1989x1030
Masa (Tierra = 1) 332830
Radio ecuatorial (km) 695000
Radio ecuatorial (Tierra = 1) 10897
Gravedad en su superficie (Tierra=1) 28
Densidad 141
Periacuteodo Rotacional (diacuteas) 25-36
Energiacutea radiada por su superficie (kWm2) 63000
Energiacutea emitida por segundo Ergios
Kilovatios
3827x10
33
396x1023
Temperatura media en la superficie 5800 K
Edad (miles de millones de antildeos) 45
Componentes quiacutemicos principales Hidroacutegeno
Helio Oxiacutegeno Carbono Nitroacutegeno
Neoacuten Hierro Silicio
Magnesio Azufre Otros
Porcentaje 921 78
0061 0030 00084 00076 00037 00031 00024 00015 00015
Porcentaje en funcioacuten del nuacutemero de aacutetomos (Elaborada a partir de httpwwwsolarviewscomspansun)
ESTRUCTURA SOLAR
El Sol se encuentra formado por seis regiones principales (Figura 3) - El nuacutecleo contiene un 40 de la masa del Sol menos del 2 del volumen total
ocupa un cuarto del radio solar y genera el 90 de su energiacutea en un proceso de fusioacuten termonuclear en el cual el hidroacutegeno se transforma en helio El hidroacutegeno contenido en el nuacutecleo del Sol se encuentra ionizado como protones los cuales se fusionan formando nuacutecleos atoacutemicos de helio liberando energiacutea en el proceso
Su temperatura se estima en 15 millones de grados Kelvin (K) y su densidad de 150 gmcm3
- La zona radiativa circunda al nuacutecleo contiene un gas tan denso que los
fotones o radiacioacuten electromagneacutetica provenientes del nuacutecleo duran cientos de miles de antildeos atravesando esta zona para poder llegar a la superficie del Sol La energiacutea generada en el nuacutecleo se difunde a traveacutes de la zona radiativa por absorcioacuten y emisioacuten atoacutemica Las temperaturas en esta regioacuten alcanzan los
130000 K Esta zona estaacute localizada una distancia entre 160000 km y 485000 km del centro solar
- Zona convectiva es una regioacuten con mucha agitacioacuten donde circula el plasma
y los gases ascienden muy calientes se enfriacutean y descienden Esta circulacioacuten es el principal mecanismo de transferencia de energiacutea a la superficie solar Estos procesos convectivos son observados en la superficie del Sol como pequentildeos graacutenulos y supergraacutenulos en forma de celdas de 3000 km de radio
- La Fotosfera es la superficie visible del Sol rodea la zona convectiva posee
un espesor de aproximadamente 300 Km es gaseosa y de baja densidad (10-8 gcm3) Sus gases estaacuten fuertemente ionizados y con la capacidad de absorber y emitir radiacioacuten La mayor parte de la radiacioacuten solar que nos llega proviene
de esta capa su temperatura es cercana a los 5800 K En esta zona se observan aacutereas oscuras llamadas manchas solares las cuales son las partes
maacutes friacuteas de la superficie con temperaturas de 3800 K Su tamantildeo es similar al de un planeta alliacute se presentan intensos rizos magneacuteticos
- La Cromosfera que estaacute justo sobre la fotosfera es una fina regioacuten de gas
que se observa con un color rojizo-anaranjado de unos 10000 Km de espesor Es esencialmente transparente a la radiacioacuten emitida desde la fotosfera
- La Corona es la tenue atmoacutesfera exterior compuesta de un halo el cual soacutelo
se ve durante los eclipses totales de sol El sol es muy estable gracias a ello la temperatura en la Tierra es relativamente constante condicioacuten que permaneceraacute inalterable por mucho tiempo respecto a la
escala de la vida humana Ha cambiado muy poco en los uacuteltimos tres mil millones de antildeos y se estima no cambiaraacute mucho en los proacuteximos tres mil millones Por esta razoacuten se considera que su radiacioacuten es una fuente inagotable de energiacutea
Fotosfera
Zona convectiva
Zona
radiativa
Nuacutecleo
Cromosfera
Mancha
solar
Corona
Llamarada
Prominencia
Hueco coronal
Figura 3 Estructura del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
FLUJOS SOLARES
Para efecto de utilizacioacuten de la energiacutea solar el Sol puede considerarse de
manera simplificada como un cuerpo negro1[1] a una temperatura de 5762K A esta temperatura el Sol emite energiacutea que se propaga por el espacio a la velocidad de la luz y recorriendo la distancia media Sol-Tierra en 8 minutos 18 segundos esta notable lentitud del flujo de energiacutea es de gran importancia para la vida en el planeta Tierra pues asegura un suministro estable de energiacutea minimizando cualquier variacioacuten que pudiera ocurrir en el centro solar La energiacutea solar que ingresa a la Tierra representa su principal fuente energeacutetica el Sol proporciona el 997 de la energiacutea usada para todos los procesos naturales La energiacutea solar se crea en el interior del Sol donde la temperatura llega a los 15
millones K con una presioacuten altiacutesima que provoca reacciones nucleares Se liberan protones (nuacutecleos de hidroacutegeno) que se funden en grupos de cuatro protones para formar partiacuteculas alfa (nuacutecleos de helio) Cada partiacutecula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos La diferencia se expulsa hacia la superficie del Sol en forma de energiacutea En este proceso cada segundo una masa aproximada de 44 millones de toneladas irradia 396x1023 kilovatios Un gramo de
1[1]
El ldquocuerpo negrordquo se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie (absorbedor perfecto)
materia solar libera tanta energiacutea como la combustioacuten de 25 millones de litros de gasolina La radiacioacuten electromagneacutetica proveniente del Sol se propaga radialmente en el espacio vaciacuteo y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia Debido a que la densidad de partiacuteculas en el espacio es muy pequentildea (10-8 Kgm3) la radiacioacuten solar praacutecticamente no interactuacutea con la materia en su recorrido hasta la capa exterior de la Tierra La energiacutea transmitida por las ondas electromagneacuteticas no fluye en forma continua sino en forma de pequentildeos paquetes de energiacutea A estos conjuntos discretos de energiacutea se les denominan fotones La cantidad de energiacutea de los fotones es menor o mayor seguacuten la longitud de la onda electromagneacutetica La energiacutea de los fotones de las ondas largas como las de radio y televisioacuten es muy pequentildea En cambio la energiacutea de los fotones de las ondas muy cortas como los rayos X es grande En la parte superior de la atmoacutesfera terrestre sobre una superficie perpendicular a la radiacioacuten se presenta una potencia promedio de 1367 wm2 cantidad denominada Constante Solar
DISTANCIA TIERRA - SOL
La Tierra en su movimiento alrededor del sol describe una oacuterbita eliacuteptica algo desproporcionada con uno de sus extremos un poco maacutes cerca del Sol que el otro y en la cual la distancia promedio Tierra - Sol es de aproximadamente 14946 x 106 Km valor llamado Unidad Astronoacutemica (UA) La excentricidad de la oacuterbita de la Tierra es del 17
La orbita de la Tierra se puede describir en coordenadas polares mediante la siguiente expresioacuten
UA (1-e2) R = ---------------------- (1+ e cosa) Donde R = distancia Tierra-Sol UA = Unidad Astronoacutemica e = excentricidad de la oacuterbita terrestre (e = 001673) a = posicioacuten angular de la Tierra en la oacuterbita la cual se obtiene mediante la
siguiente expresioacuten
2 (nd ndash 1) a = -------------------------- 365
nd = nuacutemero del diacutea del antildeo
Figura 7 Movimiento de la tierra alrededor del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
En la figura 7 se muestra la posicioacuten angular (a) de la Tierra en la oacuterbita Cuando
a = 0 la Tierra se encuentra maacutes cerca del Sol (Perihelio) esto ocurre en enero y la distancia Tierra-Sol es de R = UA (1-e) = 0983UA = 1475 millones de km En
julio cuando a = 180 la Tierra se encuentra en la posicioacuten maacutes alejada del Sol (Afelio) con una distancia Tierra-Sol de R = UA (1+e) = 1017UA = 1526 millones de km Un Sol distante significa menos radiacioacuten solar para nuestro planeta Promediado sobre el globo la radiacioacuten del Sol sobre la Tierra durante el afelio es aproximadamente un 7 menos intensa de lo que es durante el perihelio Cuando se analiza el movimiento de rotacioacuten y translacioacuten de la Tierra se encuentra que su eje de rotacioacuten con respecto al plano de translacioacuten alrededor
del sol tiene una inclinacioacuten de aproximadamente 2345 Los patrones climaacuteticos de las estaciones se originan principalmente por la inclinacioacuten del eje de rotacioacuten El aacutengulo formado entre el plano ecuatorial de la Tierra y la liacutenea Tierra-Sol se denomina declinacioacuten solar (δ) como se aprecia en la figura 8 El signo de la declinacioacuten es positivo (+) cuando el sol incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio norte y negativo (-) cuando incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio sur Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este aacutengulo variacutea
durante el antildeo Su valor variacutea entre -2345 cuando el Sol se encuentra en la parte maacutes baja del hemisferio sur en el Solsticio (del latiacuten parada prolongada del
Sol) de invierno (22 de diciembre) y +2345 cuando se halla en la parte maacutes alta del hemisferio norte en el Solsticio de verano (21 de junio) siendo el diacutea maacutes largo del antildeo Dos veces durante el antildeo toma valor cero cuando el sol pasa sobre el Ecuador terrestre durante los equinoccios (de otontildeo el 23 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo) En el equinoccio (del latiacuten noche igual) la noche y el diacutea tienen la misma duracioacuten en todos los lugares de la Tierra
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
Libro de Fuentes Renovables Tema 1 Energiacutea Solar Fotovoltaica
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
Libro de Fuentes Renovables Tema 1 Energiacutea Solar Fotovoltaica
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
ESTRUCTURA SOLAR
El Sol se encuentra formado por seis regiones principales (Figura 3) - El nuacutecleo contiene un 40 de la masa del Sol menos del 2 del volumen total
ocupa un cuarto del radio solar y genera el 90 de su energiacutea en un proceso de fusioacuten termonuclear en el cual el hidroacutegeno se transforma en helio El hidroacutegeno contenido en el nuacutecleo del Sol se encuentra ionizado como protones los cuales se fusionan formando nuacutecleos atoacutemicos de helio liberando energiacutea en el proceso
Su temperatura se estima en 15 millones de grados Kelvin (K) y su densidad de 150 gmcm3
- La zona radiativa circunda al nuacutecleo contiene un gas tan denso que los
fotones o radiacioacuten electromagneacutetica provenientes del nuacutecleo duran cientos de miles de antildeos atravesando esta zona para poder llegar a la superficie del Sol La energiacutea generada en el nuacutecleo se difunde a traveacutes de la zona radiativa por absorcioacuten y emisioacuten atoacutemica Las temperaturas en esta regioacuten alcanzan los
130000 K Esta zona estaacute localizada una distancia entre 160000 km y 485000 km del centro solar
- Zona convectiva es una regioacuten con mucha agitacioacuten donde circula el plasma
y los gases ascienden muy calientes se enfriacutean y descienden Esta circulacioacuten es el principal mecanismo de transferencia de energiacutea a la superficie solar Estos procesos convectivos son observados en la superficie del Sol como pequentildeos graacutenulos y supergraacutenulos en forma de celdas de 3000 km de radio
- La Fotosfera es la superficie visible del Sol rodea la zona convectiva posee
un espesor de aproximadamente 300 Km es gaseosa y de baja densidad (10-8 gcm3) Sus gases estaacuten fuertemente ionizados y con la capacidad de absorber y emitir radiacioacuten La mayor parte de la radiacioacuten solar que nos llega proviene
de esta capa su temperatura es cercana a los 5800 K En esta zona se observan aacutereas oscuras llamadas manchas solares las cuales son las partes
maacutes friacuteas de la superficie con temperaturas de 3800 K Su tamantildeo es similar al de un planeta alliacute se presentan intensos rizos magneacuteticos
- La Cromosfera que estaacute justo sobre la fotosfera es una fina regioacuten de gas
que se observa con un color rojizo-anaranjado de unos 10000 Km de espesor Es esencialmente transparente a la radiacioacuten emitida desde la fotosfera
- La Corona es la tenue atmoacutesfera exterior compuesta de un halo el cual soacutelo
se ve durante los eclipses totales de sol El sol es muy estable gracias a ello la temperatura en la Tierra es relativamente constante condicioacuten que permaneceraacute inalterable por mucho tiempo respecto a la
escala de la vida humana Ha cambiado muy poco en los uacuteltimos tres mil millones de antildeos y se estima no cambiaraacute mucho en los proacuteximos tres mil millones Por esta razoacuten se considera que su radiacioacuten es una fuente inagotable de energiacutea
Fotosfera
Zona convectiva
Zona
radiativa
Nuacutecleo
Cromosfera
Mancha
solar
Corona
Llamarada
Prominencia
Hueco coronal
Figura 3 Estructura del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
FLUJOS SOLARES
Para efecto de utilizacioacuten de la energiacutea solar el Sol puede considerarse de
manera simplificada como un cuerpo negro1[1] a una temperatura de 5762K A esta temperatura el Sol emite energiacutea que se propaga por el espacio a la velocidad de la luz y recorriendo la distancia media Sol-Tierra en 8 minutos 18 segundos esta notable lentitud del flujo de energiacutea es de gran importancia para la vida en el planeta Tierra pues asegura un suministro estable de energiacutea minimizando cualquier variacioacuten que pudiera ocurrir en el centro solar La energiacutea solar que ingresa a la Tierra representa su principal fuente energeacutetica el Sol proporciona el 997 de la energiacutea usada para todos los procesos naturales La energiacutea solar se crea en el interior del Sol donde la temperatura llega a los 15
millones K con una presioacuten altiacutesima que provoca reacciones nucleares Se liberan protones (nuacutecleos de hidroacutegeno) que se funden en grupos de cuatro protones para formar partiacuteculas alfa (nuacutecleos de helio) Cada partiacutecula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos La diferencia se expulsa hacia la superficie del Sol en forma de energiacutea En este proceso cada segundo una masa aproximada de 44 millones de toneladas irradia 396x1023 kilovatios Un gramo de
1[1]
El ldquocuerpo negrordquo se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie (absorbedor perfecto)
materia solar libera tanta energiacutea como la combustioacuten de 25 millones de litros de gasolina La radiacioacuten electromagneacutetica proveniente del Sol se propaga radialmente en el espacio vaciacuteo y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia Debido a que la densidad de partiacuteculas en el espacio es muy pequentildea (10-8 Kgm3) la radiacioacuten solar praacutecticamente no interactuacutea con la materia en su recorrido hasta la capa exterior de la Tierra La energiacutea transmitida por las ondas electromagneacuteticas no fluye en forma continua sino en forma de pequentildeos paquetes de energiacutea A estos conjuntos discretos de energiacutea se les denominan fotones La cantidad de energiacutea de los fotones es menor o mayor seguacuten la longitud de la onda electromagneacutetica La energiacutea de los fotones de las ondas largas como las de radio y televisioacuten es muy pequentildea En cambio la energiacutea de los fotones de las ondas muy cortas como los rayos X es grande En la parte superior de la atmoacutesfera terrestre sobre una superficie perpendicular a la radiacioacuten se presenta una potencia promedio de 1367 wm2 cantidad denominada Constante Solar
DISTANCIA TIERRA - SOL
La Tierra en su movimiento alrededor del sol describe una oacuterbita eliacuteptica algo desproporcionada con uno de sus extremos un poco maacutes cerca del Sol que el otro y en la cual la distancia promedio Tierra - Sol es de aproximadamente 14946 x 106 Km valor llamado Unidad Astronoacutemica (UA) La excentricidad de la oacuterbita de la Tierra es del 17
La orbita de la Tierra se puede describir en coordenadas polares mediante la siguiente expresioacuten
UA (1-e2) R = ---------------------- (1+ e cosa) Donde R = distancia Tierra-Sol UA = Unidad Astronoacutemica e = excentricidad de la oacuterbita terrestre (e = 001673) a = posicioacuten angular de la Tierra en la oacuterbita la cual se obtiene mediante la
siguiente expresioacuten
2 (nd ndash 1) a = -------------------------- 365
nd = nuacutemero del diacutea del antildeo
Figura 7 Movimiento de la tierra alrededor del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
En la figura 7 se muestra la posicioacuten angular (a) de la Tierra en la oacuterbita Cuando
a = 0 la Tierra se encuentra maacutes cerca del Sol (Perihelio) esto ocurre en enero y la distancia Tierra-Sol es de R = UA (1-e) = 0983UA = 1475 millones de km En
julio cuando a = 180 la Tierra se encuentra en la posicioacuten maacutes alejada del Sol (Afelio) con una distancia Tierra-Sol de R = UA (1+e) = 1017UA = 1526 millones de km Un Sol distante significa menos radiacioacuten solar para nuestro planeta Promediado sobre el globo la radiacioacuten del Sol sobre la Tierra durante el afelio es aproximadamente un 7 menos intensa de lo que es durante el perihelio Cuando se analiza el movimiento de rotacioacuten y translacioacuten de la Tierra se encuentra que su eje de rotacioacuten con respecto al plano de translacioacuten alrededor
del sol tiene una inclinacioacuten de aproximadamente 2345 Los patrones climaacuteticos de las estaciones se originan principalmente por la inclinacioacuten del eje de rotacioacuten El aacutengulo formado entre el plano ecuatorial de la Tierra y la liacutenea Tierra-Sol se denomina declinacioacuten solar (δ) como se aprecia en la figura 8 El signo de la declinacioacuten es positivo (+) cuando el sol incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio norte y negativo (-) cuando incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio sur Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este aacutengulo variacutea
durante el antildeo Su valor variacutea entre -2345 cuando el Sol se encuentra en la parte maacutes baja del hemisferio sur en el Solsticio (del latiacuten parada prolongada del
Sol) de invierno (22 de diciembre) y +2345 cuando se halla en la parte maacutes alta del hemisferio norte en el Solsticio de verano (21 de junio) siendo el diacutea maacutes largo del antildeo Dos veces durante el antildeo toma valor cero cuando el sol pasa sobre el Ecuador terrestre durante los equinoccios (de otontildeo el 23 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo) En el equinoccio (del latiacuten noche igual) la noche y el diacutea tienen la misma duracioacuten en todos los lugares de la Tierra
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
escala de la vida humana Ha cambiado muy poco en los uacuteltimos tres mil millones de antildeos y se estima no cambiaraacute mucho en los proacuteximos tres mil millones Por esta razoacuten se considera que su radiacioacuten es una fuente inagotable de energiacutea
Fotosfera
Zona convectiva
Zona
radiativa
Nuacutecleo
Cromosfera
Mancha
solar
Corona
Llamarada
Prominencia
Hueco coronal
Figura 3 Estructura del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
FLUJOS SOLARES
Para efecto de utilizacioacuten de la energiacutea solar el Sol puede considerarse de
manera simplificada como un cuerpo negro1[1] a una temperatura de 5762K A esta temperatura el Sol emite energiacutea que se propaga por el espacio a la velocidad de la luz y recorriendo la distancia media Sol-Tierra en 8 minutos 18 segundos esta notable lentitud del flujo de energiacutea es de gran importancia para la vida en el planeta Tierra pues asegura un suministro estable de energiacutea minimizando cualquier variacioacuten que pudiera ocurrir en el centro solar La energiacutea solar que ingresa a la Tierra representa su principal fuente energeacutetica el Sol proporciona el 997 de la energiacutea usada para todos los procesos naturales La energiacutea solar se crea en el interior del Sol donde la temperatura llega a los 15
millones K con una presioacuten altiacutesima que provoca reacciones nucleares Se liberan protones (nuacutecleos de hidroacutegeno) que se funden en grupos de cuatro protones para formar partiacuteculas alfa (nuacutecleos de helio) Cada partiacutecula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos La diferencia se expulsa hacia la superficie del Sol en forma de energiacutea En este proceso cada segundo una masa aproximada de 44 millones de toneladas irradia 396x1023 kilovatios Un gramo de
1[1]
El ldquocuerpo negrordquo se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie (absorbedor perfecto)
materia solar libera tanta energiacutea como la combustioacuten de 25 millones de litros de gasolina La radiacioacuten electromagneacutetica proveniente del Sol se propaga radialmente en el espacio vaciacuteo y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia Debido a que la densidad de partiacuteculas en el espacio es muy pequentildea (10-8 Kgm3) la radiacioacuten solar praacutecticamente no interactuacutea con la materia en su recorrido hasta la capa exterior de la Tierra La energiacutea transmitida por las ondas electromagneacuteticas no fluye en forma continua sino en forma de pequentildeos paquetes de energiacutea A estos conjuntos discretos de energiacutea se les denominan fotones La cantidad de energiacutea de los fotones es menor o mayor seguacuten la longitud de la onda electromagneacutetica La energiacutea de los fotones de las ondas largas como las de radio y televisioacuten es muy pequentildea En cambio la energiacutea de los fotones de las ondas muy cortas como los rayos X es grande En la parte superior de la atmoacutesfera terrestre sobre una superficie perpendicular a la radiacioacuten se presenta una potencia promedio de 1367 wm2 cantidad denominada Constante Solar
DISTANCIA TIERRA - SOL
La Tierra en su movimiento alrededor del sol describe una oacuterbita eliacuteptica algo desproporcionada con uno de sus extremos un poco maacutes cerca del Sol que el otro y en la cual la distancia promedio Tierra - Sol es de aproximadamente 14946 x 106 Km valor llamado Unidad Astronoacutemica (UA) La excentricidad de la oacuterbita de la Tierra es del 17
La orbita de la Tierra se puede describir en coordenadas polares mediante la siguiente expresioacuten
UA (1-e2) R = ---------------------- (1+ e cosa) Donde R = distancia Tierra-Sol UA = Unidad Astronoacutemica e = excentricidad de la oacuterbita terrestre (e = 001673) a = posicioacuten angular de la Tierra en la oacuterbita la cual se obtiene mediante la
siguiente expresioacuten
2 (nd ndash 1) a = -------------------------- 365
nd = nuacutemero del diacutea del antildeo
Figura 7 Movimiento de la tierra alrededor del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
En la figura 7 se muestra la posicioacuten angular (a) de la Tierra en la oacuterbita Cuando
a = 0 la Tierra se encuentra maacutes cerca del Sol (Perihelio) esto ocurre en enero y la distancia Tierra-Sol es de R = UA (1-e) = 0983UA = 1475 millones de km En
julio cuando a = 180 la Tierra se encuentra en la posicioacuten maacutes alejada del Sol (Afelio) con una distancia Tierra-Sol de R = UA (1+e) = 1017UA = 1526 millones de km Un Sol distante significa menos radiacioacuten solar para nuestro planeta Promediado sobre el globo la radiacioacuten del Sol sobre la Tierra durante el afelio es aproximadamente un 7 menos intensa de lo que es durante el perihelio Cuando se analiza el movimiento de rotacioacuten y translacioacuten de la Tierra se encuentra que su eje de rotacioacuten con respecto al plano de translacioacuten alrededor
del sol tiene una inclinacioacuten de aproximadamente 2345 Los patrones climaacuteticos de las estaciones se originan principalmente por la inclinacioacuten del eje de rotacioacuten El aacutengulo formado entre el plano ecuatorial de la Tierra y la liacutenea Tierra-Sol se denomina declinacioacuten solar (δ) como se aprecia en la figura 8 El signo de la declinacioacuten es positivo (+) cuando el sol incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio norte y negativo (-) cuando incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio sur Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este aacutengulo variacutea
durante el antildeo Su valor variacutea entre -2345 cuando el Sol se encuentra en la parte maacutes baja del hemisferio sur en el Solsticio (del latiacuten parada prolongada del
Sol) de invierno (22 de diciembre) y +2345 cuando se halla en la parte maacutes alta del hemisferio norte en el Solsticio de verano (21 de junio) siendo el diacutea maacutes largo del antildeo Dos veces durante el antildeo toma valor cero cuando el sol pasa sobre el Ecuador terrestre durante los equinoccios (de otontildeo el 23 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo) En el equinoccio (del latiacuten noche igual) la noche y el diacutea tienen la misma duracioacuten en todos los lugares de la Tierra
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
materia solar libera tanta energiacutea como la combustioacuten de 25 millones de litros de gasolina La radiacioacuten electromagneacutetica proveniente del Sol se propaga radialmente en el espacio vaciacuteo y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia Debido a que la densidad de partiacuteculas en el espacio es muy pequentildea (10-8 Kgm3) la radiacioacuten solar praacutecticamente no interactuacutea con la materia en su recorrido hasta la capa exterior de la Tierra La energiacutea transmitida por las ondas electromagneacuteticas no fluye en forma continua sino en forma de pequentildeos paquetes de energiacutea A estos conjuntos discretos de energiacutea se les denominan fotones La cantidad de energiacutea de los fotones es menor o mayor seguacuten la longitud de la onda electromagneacutetica La energiacutea de los fotones de las ondas largas como las de radio y televisioacuten es muy pequentildea En cambio la energiacutea de los fotones de las ondas muy cortas como los rayos X es grande En la parte superior de la atmoacutesfera terrestre sobre una superficie perpendicular a la radiacioacuten se presenta una potencia promedio de 1367 wm2 cantidad denominada Constante Solar
DISTANCIA TIERRA - SOL
La Tierra en su movimiento alrededor del sol describe una oacuterbita eliacuteptica algo desproporcionada con uno de sus extremos un poco maacutes cerca del Sol que el otro y en la cual la distancia promedio Tierra - Sol es de aproximadamente 14946 x 106 Km valor llamado Unidad Astronoacutemica (UA) La excentricidad de la oacuterbita de la Tierra es del 17
La orbita de la Tierra se puede describir en coordenadas polares mediante la siguiente expresioacuten
UA (1-e2) R = ---------------------- (1+ e cosa) Donde R = distancia Tierra-Sol UA = Unidad Astronoacutemica e = excentricidad de la oacuterbita terrestre (e = 001673) a = posicioacuten angular de la Tierra en la oacuterbita la cual se obtiene mediante la
siguiente expresioacuten
2 (nd ndash 1) a = -------------------------- 365
nd = nuacutemero del diacutea del antildeo
Figura 7 Movimiento de la tierra alrededor del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
En la figura 7 se muestra la posicioacuten angular (a) de la Tierra en la oacuterbita Cuando
a = 0 la Tierra se encuentra maacutes cerca del Sol (Perihelio) esto ocurre en enero y la distancia Tierra-Sol es de R = UA (1-e) = 0983UA = 1475 millones de km En
julio cuando a = 180 la Tierra se encuentra en la posicioacuten maacutes alejada del Sol (Afelio) con una distancia Tierra-Sol de R = UA (1+e) = 1017UA = 1526 millones de km Un Sol distante significa menos radiacioacuten solar para nuestro planeta Promediado sobre el globo la radiacioacuten del Sol sobre la Tierra durante el afelio es aproximadamente un 7 menos intensa de lo que es durante el perihelio Cuando se analiza el movimiento de rotacioacuten y translacioacuten de la Tierra se encuentra que su eje de rotacioacuten con respecto al plano de translacioacuten alrededor
del sol tiene una inclinacioacuten de aproximadamente 2345 Los patrones climaacuteticos de las estaciones se originan principalmente por la inclinacioacuten del eje de rotacioacuten El aacutengulo formado entre el plano ecuatorial de la Tierra y la liacutenea Tierra-Sol se denomina declinacioacuten solar (δ) como se aprecia en la figura 8 El signo de la declinacioacuten es positivo (+) cuando el sol incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio norte y negativo (-) cuando incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio sur Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este aacutengulo variacutea
durante el antildeo Su valor variacutea entre -2345 cuando el Sol se encuentra en la parte maacutes baja del hemisferio sur en el Solsticio (del latiacuten parada prolongada del
Sol) de invierno (22 de diciembre) y +2345 cuando se halla en la parte maacutes alta del hemisferio norte en el Solsticio de verano (21 de junio) siendo el diacutea maacutes largo del antildeo Dos veces durante el antildeo toma valor cero cuando el sol pasa sobre el Ecuador terrestre durante los equinoccios (de otontildeo el 23 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo) En el equinoccio (del latiacuten noche igual) la noche y el diacutea tienen la misma duracioacuten en todos los lugares de la Tierra
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
Libro de Fuentes Renovables Tema 1 Energiacutea Solar Fotovoltaica
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
nd = nuacutemero del diacutea del antildeo
Figura 7 Movimiento de la tierra alrededor del sol (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
En la figura 7 se muestra la posicioacuten angular (a) de la Tierra en la oacuterbita Cuando
a = 0 la Tierra se encuentra maacutes cerca del Sol (Perihelio) esto ocurre en enero y la distancia Tierra-Sol es de R = UA (1-e) = 0983UA = 1475 millones de km En
julio cuando a = 180 la Tierra se encuentra en la posicioacuten maacutes alejada del Sol (Afelio) con una distancia Tierra-Sol de R = UA (1+e) = 1017UA = 1526 millones de km Un Sol distante significa menos radiacioacuten solar para nuestro planeta Promediado sobre el globo la radiacioacuten del Sol sobre la Tierra durante el afelio es aproximadamente un 7 menos intensa de lo que es durante el perihelio Cuando se analiza el movimiento de rotacioacuten y translacioacuten de la Tierra se encuentra que su eje de rotacioacuten con respecto al plano de translacioacuten alrededor
del sol tiene una inclinacioacuten de aproximadamente 2345 Los patrones climaacuteticos de las estaciones se originan principalmente por la inclinacioacuten del eje de rotacioacuten El aacutengulo formado entre el plano ecuatorial de la Tierra y la liacutenea Tierra-Sol se denomina declinacioacuten solar (δ) como se aprecia en la figura 8 El signo de la declinacioacuten es positivo (+) cuando el sol incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio norte y negativo (-) cuando incide perpendicularmente sobre alguacuten lugar en el hemisferio sur Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este aacutengulo variacutea
durante el antildeo Su valor variacutea entre -2345 cuando el Sol se encuentra en la parte maacutes baja del hemisferio sur en el Solsticio (del latiacuten parada prolongada del
Sol) de invierno (22 de diciembre) y +2345 cuando se halla en la parte maacutes alta del hemisferio norte en el Solsticio de verano (21 de junio) siendo el diacutea maacutes largo del antildeo Dos veces durante el antildeo toma valor cero cuando el sol pasa sobre el Ecuador terrestre durante los equinoccios (de otontildeo el 23 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo) En el equinoccio (del latiacuten noche igual) la noche y el diacutea tienen la misma duracioacuten en todos los lugares de la Tierra
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
Figura 8 Declinacioacuten solar (Fuente Atlas solar IDEAM 2004)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
RADIACIOacuteN SOLAR (I)
Medir la radiacioacuten solar es importante para un amplio rango de aplicaciones en el sector de la agricultura ingenieriacutea entre otros destacaacutendose el monitoreo del crecimiento de plantas anaacutelisis de la evaporacioacuten e irrigacioacuten arquitectura y disentildeo de edificios generacioacuten de electricidad disentildeo y uso de sistemas de calentamiento solar implicaciones en la salud (ej caacutencer de piel) modelos de prediccioacuten del tiempo y el clima y muchas otras aplicaciones maacutes La radiacioacuten solar nos proporciona efectos fisioloacutegicos positivos tales como estimular la siacutentesis de vitamina D que previene el raquitismo y la osteoporosis favorecer la circulacioacuten sanguiacutenea actuacutea en el tratamiento de algunas dermatosis y en algunos casos estimula la siacutentesis de los neurotransmisores cerebrales responsables del estado aniacutemico La radiacioacuten solar es la energiacutea emitida por el Sol que se propaga en todas las direcciones a traveacutes del espacio mediante ondas electromagneacuteticas Esa energiacutea es el motor que determina la dinaacutemica de los procesos atmosfeacutericos y el clima La energiacutea procedente del sol es radiacioacuten electromagneacutetica proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el nuacutecleo del sol por fusioacuten nuclear y emitida por la superficie solar El sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta Despueacutes de pasar por la atmoacutesfera donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusioacuten reflexioacuten en las nubes y de absorcioacuten por las moleacuteculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partiacuteculas en suspensioacuten la radiacioacuten solar alcanza la superficie terrestre oceaacutenica y continental que la refleja o la absorbe La cantidad de radiacioacuten absorbida por la superficie es devuelta en direccioacuten al espacio exterior en forma de radiacioacuten de onda larga con lo cual se transmite calor a la atmoacutesfera La radiacioacuten es emitida sobre un espectro de longitud de ondas con una cantidad especiacutefica de energiacutea para cada longitud de onda la cual puede ser calculada usando Ley de Planck
E = a [5 e
(b T) - 1] (1)
Donde E es la cantidad de energiacutea (Wm-2m-1) emitida a una longitud de onda
(m) por un cuerpo con una temperatura T (en grados Kelvin) con a y b como constantes Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro por diferenciacioacuten de la ecuacioacuten es posible determinar la longitud de onda maacutexima de emisioacuten de radiacioacuten procedente del sol
= 2897 T (2)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
Esta ecuacioacuten es conocida como la Ley de Wien Para una temperatura de 5800degK (temperatura de la superficie solar) la longitud maacutexima de energiacutea es
aproximadamente 05 m (microacutemetro equivalente a 1x10-6m) (ver figura 1) Esta longitud de onda corresponde a radiacioacuten en la parte del espectro visible
Figura 1 Energiacutea radiada por el sol y la tierra
A traveacutes de la integracioacuten de la ecuacioacuten (1) resulta la ley de Stefan-Boltzmann por medio de la cual se puede determinar el total de energiacutea emitida por el sol
ETotal = T4 (3)
donde es la constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiacioacuten como
mecanismo baacutesico de la transmisioacuten de calor su valor es 56697x10-8 Wm2degK4) Resolviendo la ecuacioacuten tres para una temperatura solar de 5800 K la energiacutea
total de salida es de aproximadamente 64 millones Wm2 de la cual la Tierra solo
intercepta 1367 Wm2 (constante solar)
En la figura 2 la curva 1 representa la solucioacuten ideal de la Ley de Plank de la radiacioacuten solar que llega al tope de la atmoacutesfera donde el punto maacutes alto de la
curva representa la longitud de onda con la mayor energiacutea espectral (05m) de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 2 constituye el espectro de la radiacioacuten solar despueacutes de la absorcioacuten atmosfeacuterica debida a diferentes gases
El estudio del espectro de la radiacioacuten solar que llega a la superficie del suelo
permite establecer que la radiacioacuten de longitud de onda menor que 02 m debe ser absorbida totalmente por la atmoacutesfera Esta energiacutea es absorbida principalmente en la atmoacutesfera por el oxiacutegeno molecular (O2) ozono (O3) y el vapor de agua (H2O)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
Figura 2 Espectro de radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar
para condiciones de cielo despejado (curva 2)
DISTRIBUCIOacuteN ESPECTRAL DE LA RADIACIOacuteN SOLAR
La energiacutea solar llega en forma de radiacioacuten electromagneacutetica o luz La radiacioacuten electromagneacutetica son ondas producidas por la oscilacioacuten o la aceleracioacuten de una carga eleacutectrica Las ondas electromagneacuteticas no necesitan un medio material para propagarse por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas La longitud de onda ()
y la frecuencia () de las ondas electromagneacuteticas relacionadas mediante la
expresioacuten = C (donde C es la velocidad de la luz) son importantes para determinar su energiacutea su visibilidad su poder de penetracioacuten y otras caracteriacutesticas Independientemente de su frecuencia y longitud de onda todas las ondas electromagneacuteticas se desplazan en el vaciacuteo a una velocidad de C = 299792 kms Los distintos colores de luz tienen en comuacuten el ser radiaciones electromagneacuteticas que se desplazan con la misma velocidad Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanoacutemetros (nm) que equivalen a una milmilloneacutesima de metro o una milloneacutesima de miliacutemetro La radiacioacuten electromagneacutetica se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda como se muestra en la figura 3 que se extiende desde longitudes de onda corta de billoneacutesimas de metro (frecuencias muy altas) como los rayos gama hasta longitudes de onda larga de muchos kiloacutemetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio El espectro electromagneacutetico no tiene definidos liacutemites superior ni inferior y la energiacutea de una fraccioacuten diminuta de radiacioacuten llamada fotoacuten es inversamente proporcional a su longitud de onda entonces a menor longitud de onda mayor contenido energeacutetico
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
El Sol emite energiacutea en forma de radiacioacuten de onda corta principalmente en la banda del ultravioleta visible y cercano al infrarrojo con longitudes de onda entre 02 y 30 microacutemetros (200 a 3000 nanoacutemetros)
Figura 3 Espectro electromagneacutetico de la radiacioacuten solar (Fuente IDEAM)
LA REGIOacuteN VISIBLE
(400 nm lt λ lt 700 nm) corresponde a la radiacioacuten que puede percibir la
sensibilidad del ojo humano e incluye los colores violeta (042 m oacute 420 nm) azul
(048 m) verde (052 m) amarillo (057 m) naranja (060 m) y rojo (070 m) La luz de color violeta es maacutes energeacutetica que la luz de color rojo porque tiene una longitud de onda maacutes pequentildea La radiacioacuten con las longitudes de onda maacutes corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiacioacuten ultravioleta 2 La regioacuten del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanoacutemetros 3 La regioacuten del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanoacutemetros A cada regioacuten le corresponde una fraccioacuten de la energiacutea total incidente en la parte superior de la atmoacutesfera distribuida asiacute 7 al ultravioleta 473 al visible y 457 al infrarrojo Las ondas en el intervalo de 025 μm a 40 μm se denominan espectro de onda corta para muchos propoacutesitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosiacutentesis
LEYES DE RADIACIOacuteN
Para entender mejor coacutemo la energiacutea radiante del Sol interactuacutea con la atmoacutesfera de la tierra y su superficie se deben conocer las leyes baacutesicas de radiacioacuten que son las siguientes
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
1 Todos los objetos con temperatura mayor a 0degK emiten energiacutea radiante por ejemplo el Sol la Tierra la atmoacutesfera las personas etc
2 Los objetos con mayor temperatura radian maacutes energiacutea total por unidad de aacuterea que los objetos maacutes friacuteos (ver figura 4) Por ejemplo el Sol con una
temperatura media de 5800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones Wm2 165000 veces maacutes energiacutea que la Tierra (la cual emite cerca
de 390 Wm2) con una temperatura media en superficie de 288K= 15ordmC cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5800288) elevadas a la cuarta potencia
3 Los cuerpos con mayor temperatura emiten un maacuteximo de radiacioacuten en longitudes de ondas maacutes cortas Por ejemplo el maacuteximo de energiacutea radiante
del Sol se produce en ~05 microm mientras que para la Tierra en ~10 microm
Banda radiante de energiacutea visible
Curva de radiacioacuten para un cuerpo
negro a la temperatura del Sol
Curva de radiacioacuten para un cuerpo negro a la
temperatura de una laacutempara incandescente
Curva de radiacioacuten para un
cuerpo negro a la
temperatura de la Tierra
Longitud de onda
Exit
an
cia
rad
ian
te e
sp
ectr
al (W
m-2
m-1
)
Figura 4 Distribucioacuten Espectral de la energiacutea radiada a partir de cuerpos negros
a diferentes temperaturas
4 Los objetos que son buenos absorbedores de radiacioacuten son tambieacuten buenos emisores Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmoacutesfera porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda Asiacute la atmoacutesfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiacioacuten y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda
Un absorbedor perfecto se llama ldquocuerpo negrordquo que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiacioacuten que llega a su superficie No se conoce ninguacuten
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
objeto asiacute aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97 de la radiacioacuten incidente El Sol la Tierra la nieve etc bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro En teoriacutea un cuerpo negro seriacutea tambieacuten un emisor perfecto de radiacioacuten y emitiriacutea a cualquier temperatura la maacutexima cantidad de energiacutea disponible
MAGNITUDES RADIATIVAS
Las magnitudes radiativas se clasifican en dos grupos seguacuten su origen a saber la radiacioacuten solar y la radiacioacuten terrestre Radiacioacuten solar Es la energiacutea emitida por el Sol Radiacioacuten solar extraterrestre Es la radiacioacuten solar que incide en el liacutemite de la atmoacutesfera terrestre Radiacioacuten de onda corta la radiacioacuten solar extraterrestre se halla dentro del
intervalo espectral comprendido entre 025 y 40 m y se denomina radiacioacuten de onda corta Una parte de la radiacioacuten solar extraterrestre penetra a traveacutes de la atmoacutesfera y llega a la superficie terrestre mientras que otra parte se dispersa yo es absorbida en la atmoacutesfera por las moleacuteculas gaseosas las partiacuteculas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes Radiacioacuten solar directa Radiacioacuten solar difusa Radiacioacuten solar global Es la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie La radiacioacuten solar global diaria es la cantidad de radiacioacuten global entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10000 Whm2 al diacutea Radiacioacuten solar reflejada Radiacioacuten solar dirigida hacia arriba tras haber sido reflejada o difundida por la atmoacutesfera y por la superficie terrestre Radiacioacuten terrestre La radiacioacuten terrestre es la energiacutea electromagneacutetica de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases los aerosoles y las nubes de la atmoacutesfera y es tambieacuten parcialmente absorbida en la atmoacutesfera Para una temperatura de 300 ordmK el 9999 por ciento de energiacutea de la radiacioacuten terrestre
posee una longitud de onda superior a los 50 m y el intervalo espectral llega
hasta los 100 m Para temperaturas inferiores el espectro se desviacutea hacia ondas de longitud mayor Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiacioacuten solar y terrestre apenas se superponen con frecuencia se las puede tratar por separado en mediciones y caacutelculos
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
Radiacioacuten Visible Radiacioacuten Ultravioleta Radiacioacuten Infrarroja Radiacioacuten cuya longitud de onda es superior a 800 nm
UNIDADES DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar global
Las cantidades de radiacioacuten son expresadas generalmente en teacuterminos de exposicioacuten radiante o irradiancia siendo esta uacuteltima una medida del flujo de
energiacutea recibida por unidad de aacuterea en forma instantaacutenea como
TiempoArea
Energiacutea
y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (Wm2) Un vatio es igual a un Joule por segundo
La exposicioacuten radiante es la medida de la radiacioacuten solar en la cual la irradiancia
es integrada en el tiempo como
Area
Energiacutea
y cuya unidad es el kWhm2 por diacutea (si es integrada en el diacutea) oacute MJm2 por diacutea Por ejemplo 1 minuto de exposicioacuten radiante es una medida de la energiacutea recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto Sin embargo un minuto de exposicioacuten radiante = irradiancia media (Wm2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (Jm2) Finalmente una hora de exposicioacuten radiante es la suma de los 60 minutos de exposicioacuten radiante Otras magnitudes radiomeacutetricas
Tabla 1 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten Unidad Equivalencia
1 vatio (W) 1Joulesegundo (Js)
1 Wh 3600 J
1 KWh 36 MJ
1 Wh 3412 Btu
1 Caloriacutea 0001163 Wh
1 Caloriacutea 4187 Joule
1 calcm2 1163 Whm
2
1 MJm2 027778 kWhm
2
1 MJm2 27778 Whm
2
1 MJm2 2388 calcm
2
1BTU 252 caloriacuteas
1BTU 105506 KJ
1 cal(cm2min) 6029 MJm
2 por diacutea
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
Para algunas bandas espectrales como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades en particular
Radiacioacuten visible o radiacioacuten activa en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) instantaacutenea (microEcmsup2seg donde E = Einsten) y la integrada (microEhcmsup2)
Radiacioacuten ultravioleta instantaacutenea (microWcmsup2nm) y la integrada (microWhcmsup2nm) en cada longitud de onda medida
Tabla 2 Conversiones uacutetiles para radiacioacuten visible y ultravioleta Unidad Equivalencia
1 microWcmsup2 001 W m-2
1 klux 18 micromol m-2
s-1
1 W m-2
46 micromol m-2
s-1
1 klux 4 W m-2
1 micromol m-2 s-1 1 microE m-2 s-1
1 klux 18 microE m-2 s-1
1 W m-2
46 microE m-2 s-1
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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INSTRUMENTOS DE MEDIDA
A Radiacioacuten solar
La radiacioacuten solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radioacutemetros y en forma indirecta mediante modelos matemaacuteticos de estimacioacuten que correlacionan la radiacioacuten con el brillo solar Los radioacutemetros solares como los piranoacutemetros o solariacutemetros y los pirhelioacutemetros seguacuten sus caracteriacutesticas (ver tabla 3) pueden servir para medir la radiacioacuten solar incidente global (directa maacutes difusa) la directa (procedente del rayo solar) la difusa la neta y el brillo solar Los radioacutemetros se pueden clasificar seguacuten diversos criterios el tipo de variable que se pretende medir el campo de visioacuten la respuesta espectral el empleo principal a que se destina etc
Tabla 3 Instrumentos meteoroloacutegicos para la medida de la radiacioacuten Tipo de Instrumento Paraacutemetro de Medida
Piranoacutemetro i) Radiacioacuten Global ii)Radiacioacuten directa iii)Radiacioacuten difusa
iv) Radiacioacuten solar reflejada (usado como patroacuten nacional)
Piranoacutemetro Espectral Radiacioacuten Global en intervalos espectrales de banda ancha
Pirhelioacutemetro Absoluto Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten nacional)
Pirhelioacutemetro de incidencia normal Radiacioacuten Directa (usado como patroacuten secundario)
Pirhelioacutemetro (con filtros) Radiacioacuten Directa en bandas espectrales anchas
Actinoacutegrafo Radiacioacuten Global
Pirgeoacutemetro Radiacioacuten Difusa
Radioacutemetro neto oacute piranoacutemetro diferencial Radiacioacuten Neta
Helioacutegrafo Brillo Solar
1 Piranoacutemetro es el instrumento maacutes usado en la medicioacuten de la radiacioacuten solar (ver Figura 5) Mide la radiacioacuten semiesfeacuterica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados obtenida a traveacutes de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequentildeo disco plano Cuando el aparato es expuesto a la radiacioacuten solar los sectores negros se vuelven maacutes caacutelidos que los blancos Esta diferencia de temperatura se puede detectar electroacutenicamente generaacutendose un voltaje eleacutectrico proporcional a la radiacioacuten solar incidente En la variacioacuten de la temperatura puede intervenir el viento la lluvia y las peacuterdidas teacutermicas de la radiacioacuten al ambiente Por lo tanto el piranoacutemetro tiene instalado una cuacutepula de vidrio oacuteptico transparente que protege el detector permite la transmisioacuten isotroacutepica del componente solar y sirve para filtrar la radiacioacuten entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2800 nm Un piranoacutemetro acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiacioacuten directa puede medir la radiacioacuten difusa
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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De acuerdo a las especificaciones de la OMM existen varias clases de piranoacutemetros los cuales son clasificados por la ISO 9060 en patrones secundarios de primera y segunda clase En la tabla 4 se presentan sus caracteriacutesticas Generalmente los de primera clase y los patrones secundarios emplean una termopila como elemento de deteccioacuten Los de segunda clase emplean tiacutepicamente las fotoceacutelulas como el elemento de deteccioacuten son menos costosos que los otros tipos de piranoacutemetros pero la respuesta espectral del piranoacutemetro fotovoltaico se limita al espectro visible Los piranoacutemetros de primera clase y los patrones secundarios normalmente son los utilizados para medir la radiacioacuten solar global Un ejemplo de piranoacutemetro de primera clase es el piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley de la figura 5(a) y otro ejemplo de patroacuten secundario es el piranoacutemetro espectral de precisioacuten Eppley (PSP) (Ver figura 5(b))
Tabla 4 Clasificacioacuten y caracteriacutesticas de los piranoacutemetros
Caracteriacutesticas Patroacuten Secundario 1ordf Clase 2ordf Clase
Sensibilidad (Wm-2) 1 5 10
Estabilidad ( antildeo) 08 18 3
Temperatura () 2 4 8
Selectividad () 2 5 10
Linearidad () 05 1 3
Constante de tiempo lt 15s lt 30s lt 60s
Respuesta coseno () 05 2 5
A Piranoacutemetro Blanco y Negro Eppley (BWP)
B Piranoacutemetro espectral de precisioacuten (PSP)
C Para medir la radiacioacuten UV
Figura 5 Piranoacutemetros (Fuente IDEAM)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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Se pueden usar filtros en lugar de la boacuteveda de cristal para medir la radiacioacuten en diversos intervalos espectrales por ejemplo la radiacioacuten ultravioleta (Ver figura 5(c)) Para las aplicaciones que requieran datos de radiacioacuten ultravioleta no se deben emplear los piranoacutemetros de principio fotovoltaico debido a que estos instrumentos no son sensibles a la radiacioacuten UV
2 Pirhelioacutemetros son instrumentos usados para la medicioacuten de la radiacioacuten solar directa Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios a continuacioacuten se describen los dos tipos de pirhelioacutemetros I Pirhelioacutemetro de Cavidad Absoluta El instrumento posee dos cavidades coacutenicas ideacutenticas una externa que se calienta al estar expuesta a la radiacioacuten solar mientras la otra cavidad oculta en el interior del instrumento se calienta utilizando energiacutea eleacutectrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa asignaacutendose el valor de la energiacutea eleacutectrica consumida como el valor de la radiacioacuten solar incidente La figura 6 presenta el pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 correspondiente al modelo de patroacuten nacional del que dispone el IDEAM
Figura 6 Pirhelioacutemetro de cavidad Absoluta serie PMO-6 (Fuente IDEAM)
II Pirhelioacutemetros Secundarios Son Instrumentos que miden la radiacioacuten solar directa se calibran por iacutenter comparacioacuten con un Pirhelioacutemetro de cavidad absoluta Uno de los varios disentildeos existentes en el mundo es el pirhelioacutemetro EPPLEY de incidencia normal de la figura 7 que posee un sensor de termopila compensada de bismuto-plata con 15 junturas y un tiempo de respuesta de aproximadamente 20 s Este instrumento requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento del sol durante su transito diurno por el cielo Este pirhelioacutemetro es muy estable y puede emplearse como patroacuten secundario para calibrar otros instrumentos En Colombia se emplea aunque no es de uso generalizado ni permanente
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
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En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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Figura 7 Pirhelioacutemetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor de sol)
(Fuente IDEAM)
Otro instrumento es el pirhelioacutegrafo el cual se utiliza para registrar la radiacioacuten solar directa (ver Figura 8) Este instrumento (en forma semejante a como mide el pirhelioacutemetro) registra la radiacioacuten que proviene de un aacutengulo soacutelido pequentildeo y que incide en una superficie plana normal al eje de este aacutengulo
Figura 8 Pirhelioacutegrafo (Fuente IDEAM)
3 Actinoacutegrafo es un instrumento para registrar la radiacioacuten global que funciona mediante un sensor termomecaacutenico protegido por una cuacutepula en vidrio Estaacute conformado por un arreglo bimetaacutelico de dos superficies una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagneacuteticas de la radiacioacuten solar y la otra de blanco para que las refleje y asiacute ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una graacutefica que registra los valores de radiacioacuten global La precisioacuten de los valores de la radiacioacuten global que se obtienen con este instrumento es del orden de plusmn 8 Estos instrumentos requieren de una calibracioacuten con un patroacuten secundario una vez por antildeo El actinoacutegrafo se diferencia de un piranoacutemetro por que el sensor es una laacutemina bimetaacutelica y el del piranoacutemetro es una termopila
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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La figura 9 ilustra un actinoacutegrafo Fuess utilizado en Colombia por el IDEAM Es de anotar que otras instituciones regionales como Cenicafeacute disponen de actinoacutegrafos Belfor con precisiones de plusmn 6
Figura 9 Actinoacutegrafo Fuess (Fuente IDEAM)
4 Radioacutemetro neto disentildeado para medir la diferencia entre la radiacioacuten ascendente y la descendente a traveacutes de una superficie horizontal La aplicacioacuten baacutesica de un radioacutemetro neto es determinar la radiacioacuten diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad Las categoriacuteas de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminacioacuten del aire se basan en la velocidad del viento la radiacioacuten neta y el aspecto del cielo
5 Helioacutegrafo es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el diacutea (insolacioacuten o brillo solar) Registra los periodos de tiempo de radiacioacuten solar directa que superan un valor miacutenimo Opera focalizando la radiacioacuten solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente en una cinta con escala de horas (ver figura 10) que como resultado de la exposicioacuten a la radiacioacuten solar directa se quema formando liacuteneas cuya longitud determina el nuacutemero de horas de brillo del Sol En localidades donde no se mida directamente la radiacioacuten solar global es posible obtenerla a partir de los valores de horas de brillo solar mediante un modelo de regresioacuten lineal simple llamado Aringngstroumlm Modificado El modelo se aplica a estaciones de brillo solar de la misma zona geograacutefica donde se mida simultaacuteneamente radiacioacuten y brillo solar
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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Figura 10 Solariacutemetro CAMPBELL-STOKES (Fuente IDEAM)
6 Medicioacuten de la radiacioacuten solar difusa Las mediciones de la radiacioacuten difusa se realizan con Piranoacutemetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco de manera que no deja pasar radiacioacuten solar directa El maacutes tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro puesto de acuerdo con la declinacioacuten del sol y la latitud del lugar De esta manera el sensor se protegeraacute de la radiacioacuten directa durante el diacutea La figura 11 ilustra uno de ellos
Figura 11 Piranoacutemetro Con banda de Sombra Para la Medicioacuten Radiacioacuten Difusa
(Fuente IDEAM)
B Radiacioacuten visible y ultravioleta
El IDEAM ha establecido una red nacional para la vigilancia y monitoreo de la radiacioacuten ultravioleta con cinco estaciones de superficie en el paiacutes ubicadas en Riohacha Bogotaacute Pasto Leticia y San Andreacutes Cada estacioacuten cuenta con un espectrorradioacutemetro con cuatro rangos espectrales de medida de la radiacioacuten ultravioleta para las bandas UV-A UV-B y la banda integral de la radiacioacuten activa
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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en fotosiacutentesis (PAR por sus siglas en ingleacutes) El espectrorradioacutemetro utilizado es el ultravioleta Biospherical GUV-511 el cual cuenta con cinco canales de medida distribuidos asiacute UV-B (305 nm) UV-B (320 nm) UV-A (340 nm) UV-A (380 nm) y Radiacioacuten visible o activa en fotosiacutentesis (PAR) (400 - 700 nm) Los instrumentos realizan medidas puntales en fracciones de segundos para cada canal de medida y las integra en intervalos de un minuto las medidas se archivan luego en valores maacuteximos integrales horarios y totales diarios datos que se encuentran actualizados desde su inicio de medidas en 1998 para cada estacioacuten Fiacutesicamente consiste en un sensor de cinco canales a temperatura controlada por medio de una interfase que tambieacuten permite la comunicacioacuten con un computador personal Este instrumento ha sido utilizado con eacutexito en todo el mundo bajo las maacutes adversas condiciones climaacuteticas siendo considerado como un sistema de punta en el monitoreo a largo plazo de la radiacioacuten ultravioleta y la radiacioacuten fotosinteacuteticamente activa del espectro solar
NORMALIZACIOacuteN
Los Centros Radiomeacutetricos Mundiales Regionales y Nacionales de la OMM tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiomeacutetricos Ademaacutes el Centro Radiomeacutetrico Mundial de Datos estaacute encargado del mantenimiento de la referencia baacutesica o sea el Grupo Mundial de Normalizacioacuten (GMN) de instrumentos que se utiliza para establecer la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el curso de las comparaciones internacionales que se organizan cada cinco antildeos los instrumentos patroacuten de los centros regionales se comparan con el GMN y sus factores de calibracioacuten se ajustan a la RRM Eacutestos a su vez se utilizan para transferir la RRM perioacutedicamente a los centros nacionales que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia Definicioacuten de la Referencia Radiomeacutetrica Mundial (RRM) En el pasado se utilizaron en meteorologiacutea diversas referencias o escalas radiomeacutetricas a saber la Escala de Aacutengstrom de 1905 la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliomeacutetrica Internacional de 1956 (IPS) Gracias al progreso alcanzado en el aacutembito de la radiometriacutea absoluta se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiacioacuten Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirhelioacutemetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversioacuten
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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Para verificar los criterios de estabilidad los instrumentos del GMN se comparan entre siacute al menos una vez al antildeo Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiomeacutetrico Mundial en Davos Caacutelculo de los Valores de la RRM Para calibrar un instrumento radiomeacutetrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN o las de otro que se haya calibrado directa- mente con uno de los instrumentos del Grupo En las comparaciones internacionales el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de correccioacuten que le fue asignado al ser incorporado al Grupo
CONSTANTE SOLAR
En el tope de la atmoacutesfera a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol el flujo de energiacutea de onda corta interceptada por una superficie normal a la direccioacuten del sol en vatios por metro cuadrado (Wm2) es llamada constante solar Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo baacutesico del sistema climaacutetico Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmoacutesfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el diacutea como consecuencia de las ldquopeacuterdidasrdquo de radiacioacuten por fenoacutemenos (procesos de atenuacioacuten) como la reflexioacuten refraccioacuten y difraccioacuten durante su trayectoria Seguacuten el Centro de Referencia Radiomeacutetrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiacioacuten (World Radiation Center - WRC) la constante solar tiene un valor aproximado de Io = 1367 Wm2
= 4333 Btu(ft2h) = 196 cal(cm2min)
con una desviacioacuten estaacutendar de 16 Wm2 y una desviacioacuten maacutexima de + 7 Wm2
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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La figura 12 muestra la constante solar medida por sateacutelites en Wm2 durante el periacuteodo 1978-2003 En esta figura se observa que la constante variacutea con el tiempo asiacute como un leve aumento en los miacutenimos de la misma Tambieacuten se aprecia el ciclo solar en el cual cada 11 antildeos se presenta un maacuteximo en la constante
Figura 12 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites
(Fuente httpwwwgsfcnasagovtopstory20030313irradiancehtml) Las observaciones basadas en sateacutelites muestran tambieacuten una variacioacuten en la medicioacuten de la constante solar de acuerdo al sensor que realiza la medicioacuten tal como se muestra en la figura 13 por lo que es necesario realizar una composicioacuten o superposicioacuten de las mediciones para obtener un uacutenico valor
Figura 13 Valores de la constante solar medidos por medio de sateacutelites Datos originales (arriba) y
valores compuestos (abajo) (Fuente NASA)
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al nuacutemero de manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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Tierra-Sol como consecuencia de la oacuterbita eliacuteptica terrestre La intensidad de la energiacutea solar variacutea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol entonces en el movimiento de translacioacuten de la Tierra cambia la distancia Tierra-Sol durante el antildeo originando una variacioacuten de la radiacioacuten solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar como ilustra la Figura 14
Figura 14 Variacioacuten de la radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera terrestre (Fuente IDEAM)
Analiacuteticamente se puede determinar la radiacioacuten solar extraterrestre incidente mediante la expresioacuten
R
R I = I
0
2
0n
Donde R = Distancia Tierra-Sol
Io = Constante solar
Ro = Distancia promedio Tierra-Sol (igual a una Unidad Astronoacutemica = 14946 x 106 Km)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
RL
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE
Es muy grande la cantidad de energiacutea solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmoacutesfera Una comparacioacuten que permite apreciar la cantidad de energiacutea solar que cada antildeo incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energiacutea de las reservas mundiales de energiacutea foacutesil o que es similar a maacutes de 15000 veces la energiacutea anual usada de los combustibles foacutesiles y nucleares y de las plantas hidraacuteulicas Una aproximacioacuten de la cantidad de energiacutea incidente en la Tierra y de coacutemo se transforma en la atmoacutesfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera de la radiacioacuten total incidente 173000Teravatios el 30 es reflejado al espacio exterior La mayor parte del 70 restante calienta la superficie terrestre la atmoacutesfera y los oceacuteanos (47) o se absorbe en la evaporacioacuten de agua (23) Relativamente muy poca energiacutea es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosiacutentesis En realidad praacutecticamente toda la energiacutea es radiada al espacio exterior en forma de radiacioacuten infrarroja El efecto de atenuacioacuten de la radiacioacuten solar al atravesar la atmoacutesfera se muestra en la figura 4 La radiacioacuten que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiacioacuten directa difusa y global
Figura 4 Atenuacioacuten de la radiacioacuten solar por la atmoacutesfera terrestre
(Fuente Atlas de radiacioacuten solar)
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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A Radiacioacuten directa (Hb) Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusioacuten ni reflexioacuten alguna Se puede calcular a partir de la siguiente ecuacioacuten
Donde I es la componente vertical de la radiacioacuten solar directa y h la altura del sol
sobre el horizonte Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver figura 5)
Figura 5 Componente directa de la radiacioacuten sol
Sobre la superficie de la tierra el flujo de la radiacioacuten directa depende de los siguientes factores a) Constante solar b) Altura del sol sobre el horizonte (h) c) Transparencia atmosfeacuterica en presencia de gases absorbentes nubes y niebla B Radiacioacuten difusa (Hd) Es la componente de la radiacioacuten solar que al encontrar pequentildeas partiacuteculas en suspensioacuten en la atmoacutesfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes es difundida en todas las direcciones el flujo con el cual esta energiacutea incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiacioacuten solar difusa Tambieacuten es definida como la cantidad de energiacutea solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmoacutesfera diferente de la radiacioacuten solar directa Cuando no hay nubes en el cielo la radiacioacuten difusa se produce por medio del proceso de difusioacuten a traveacutes de partiacuteculas atmosfeacutericas
h senI = I = Hb
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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La radiacioacuten solar difusa diaria es la cantidad de radiacioacuten difusa entre las seis de la mantildeana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5500 Whm2 al diacutea Sobre la superficie de la tierra la radiacioacuten difusa depende de a) La altura del Sol sobre el horizonte A mayor altura mayor es el flujo de radiacioacuten difusa b) Cantidad de partiacuteculas en la atmoacutesfera A mayor cantidad de partiacuteculas mayor es la componente difusa por consiguiente aumenta con la contaminacioacuten c) Nubosidad Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas d) Altura sobre el nivel del mar Al aumentar la altura el aporte de la radiacioacuten difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmoacutesfera C Radiacioacuten global (H) La radiacioacuten global es toda la radiacioacuten que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un aacutengulo de 180 grados resultado de la componente vertical de la radiacioacuten directa maacutes la radiacioacuten difusa El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad Su evaluacioacuten se efectuacutea por el flujo de esta energiacutea por unidad de aacuterea y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ninguacuten tipo de sombra de esta manera si llamamos H al flujo de radiacioacuten global Hd al flujo de radiacioacuten difusa y Hb la componente directa se tiene que
H + H = H + h senI = H dbd
La radiacioacuten solar global diaria es el total de la energiacutea solar en el diacutea y sus valores tiacutepicos estaacuten dentro del rango de 1 a 35 MJm2 (megajoules por metro cuadrado)
Recordando que I es la intensidad de la radiacioacuten directa sobre la superficie normal
a los rayos solares h la altura del Sol e I la componente vertical de la radiacioacuten directa sobre una superficie horizontal entonces
El aporte de cada componente a la radiacioacuten global variacutea con la altura del Sol la transparencia de la atmoacutesfera y la nubosidad
H + I = H d
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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BALANCE RADIATIVO
Los meacutetodos de transferir energiacutea en la atmoacutesfera incluyen la conduccioacuten la conveccioacuten el calor latente la adveccioacuten y la radiacioacuten El meacutetodo de transferencia de energiacutea a traveacutes de procesos radiativos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moleacuteculas La Tierra intercambia energiacutea con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiacioacuten El balance radiativo del planeta es un paraacutemetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmoacutesfera se calienta o se enfriacutea dependiendo de siacute recibe maacutes o menos energiacutea) Este balance incluye la energiacutea solar que es la principal fuente de energiacutea para el planeta igualmente la atmoacutesfera y el oceacuteano pueden trasladar excesos de energiacutea de una regioacuten a otra diferente en el globo La energiacutea proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo difundida en la atmoacutesfera o reflejada De la energiacutea absorbida por el suelo parte penetra en el terreno parte se utiliza en la evaporacioacuten del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmoacutesfera en forma de calor latente y la ultima parte viene cedida por contacto a la atmoacutesfera que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de conveccioacuten turbulenta En el balance energeacutetico global interviene tambieacuten la radiacioacuten de onda larga emitida por la tierra Considerando que al tope de la atmoacutesfera llega un 100 de radiacioacuten solar soacutelo un 25 llega directamente a la superficie de la Tierra y un 25 es dispersado por la atmoacutesfera como radiacioacuten difusa hacia la superficie esto hace que cerca de un 50 de la radiacioacuten total incidente llegue a la superficie terrestre Un 20 es absorbido por las nubes y gases atmosfeacutericos (como el ozono en la estratosfera) El otro 30 se pierde hacia el espacio de este porcentaje la atmoacutesfera dispersa un 6 las nubes reflejan un 20 y el suelo refleja el otro 4 El flujo medio incidente en el tope de la atmoacutesfera es un cuarto de la constante solar es decir unos 342 wm2 y queda reducida en superficie (por reflexioacuten y absorcioacuten) a unos 170 wm2 La figura 6 muestra los flujos verticales medios de energiacutea en el sistema terrestre (atmoacutesfera y superficie) en vatios por metro cuadrado Los maacutes importantes son los 342 Wm2 de energiacutea solar que entran por el tope de la atmoacutesfera y los 390 Wm2 que salen del suelo en ondas infrarrojas Tanto en superficie como en el tope de la atmoacutesfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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Figura 6 Esquema de la distribucioacuten de la radiacioacuten en el sistema tierra ndash atmoacutesfera
Fuente (httphomepagemaccomuriartemapradhtml) A partir de la energiacutea terrestre emitida por la superficie 390 Wm2 solo 40 Wm2 escapan directamente al espacio por la ventana atmosfeacuterica El exceso de energiacutea recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiativos tales como la evaporacioacuten (flujo de calor latente de 80 Wm2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 24 Wm2) La diferencia entre la emisioacuten radiativa de la superficie de la Tierra (390 Wm2) y el total de emisioacuten infrarroja al espacio (40 + 200 = 240 Wm2) representa la energiacutea atrapada en la atmoacutesfera (150 Wm2) por el efecto de invernadero La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO2 debido a las emisiones antroacutepicas supone en la actualidad un incremento radiativo de 14 Wm2 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo por la existencia del balance entre la cantidad de radiacioacuten solar entrante y la radiacioacuten terrestre saliente sino se calentariacutea o enfriariacutea continuamente Por otra parte algunas regiones del planeta reciben mas radiacioacuten solar que otras pero la radiacioacuten terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta Por lo tanto el balance de calor debe producirse en dos formas 1 Balance de energiacutea total tierraatmoacutesfera La cantidad de energiacutea que llega a la
superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmoacutesfera tiene que ser igual a la cantidad de energiacutea que se refleja desde la superficie maacutes la que emite la Tierra al espacio
2 Balance de energiacutea entre diferentes zonas del planeta En promedio la zona
latitudinal entre 35ordmN y 35ordmS recibe maacutes energiacutea que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones maacutes caacutelidas del planeta lo contrario se produce en altas latitudes donde se pierde mas calor por emisioacuten de radiacioacuten de onda larga que la recibida en onda corta del Sol Pero estas zonas no se calientan ni
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)
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enfriacutean continuamente por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con deacuteficit de calor Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa que lo realizan la atmoacutesfera y los oceacuteanos a traveacutes de los vientos y las corrientes
En resumen la energiacutea recibida y emitida por el sistema tierra ndash atmoacutesfera es la misma hay ganancia de energiacutea entre los troacutepicos y peacuterdida en zonas polares el exceso y deacuteficit es balanceado por la circulacioacuten general de la atmoacutesfera y de los oceacuteanos Ademaacutes el balance de radiacioacuten de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa composicioacuten de la atmoacutesfera el aacutengulo de incidencia del Sol y la longitud del diacutea Asiacute las aacutereas de exceso y deacuteficit de energiacutea migran estacionalmente con los cambios en la longitud del diacutea y del aacutengulo de inclinacioacuten del Sol En la siguiente tabla se resume el balance de radiacioacuten en unidades de energiacutea
Tabla 3 Balance de radiacioacuten en Wm2 ENTRANTE SALIENTE
Balance de calor de la superficie de la tierra
Radiacioacuten solar 170 Radiacioacuten terrestre 390
Radiacioacuten atmosfeacuterica 324 Evaporacioacuten 80
Conduccioacuten y Conveccioacuten 24
Total 494 Total 494
Balance de calor de la atmoacutesfera
Radiacioacuten solar 70 Radiacioacuten al espacio 200
Condensacioacuten 80 Radiacioacuten a la superficie 324
Radiacioacuten terrestre 390 Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Conduccioacuten 24
Total 564 Total 564
Balance de calor planetario
Radiacioacuten solar 342 Reflejada y dispersada 102
Radiacioacuten de atmoacutesfera y nubes al espacio 200
Radiacioacuten de la tierra al espacio 40
Total 342 Total 342
Los experimentos para la determinacioacuten del balance radiativo de la Tierra han utilizado sateacutelites para medir los paraacutemetros fundamentales de la radiacioacuten (la cantidad de energiacutea solar recibida por el planeta el albedo planetario la radiacioacuten terrestre emitida -referida como la Radiacioacuten saliente de Onda Larga oacute ROL- y el balance planetario de energiacutea neto -diferencia entre la energiacutea solar absorbida y el ROL-) El experimento maacutes reciente para medir estos paraacutemetros es el Experimento del Balance de la Radiacioacuten de la Tierra de la NASA (ERBE)