FACULTAD DE HUMANIDADES

FACULTAD DE HUMANIDADES

CARRERA: PROFESORADO Y LICENCIATURA EN GEOGRAFA

MATERIA: CLIMATOLOGA AO 2009TITULAR: Dra. Pilar Yolanda Serra

JEFE DE TRABAJOS PRCTICOS: Prof. Lic. Santiago Kalafattich

UNIDAD 2: RADIACIN SOLARUnidad 2: Radiacin solar:

1. Caractersticas. Espectro de radiacin. Interaccin con la materia: transmisin, absorcin, emisin, dispersin, reflexin, difusin. Comportamiento de la atmsfera.

2. Factores de la radiacin recibida:

1- Factores csmicos:

El movimiento de Traslacin e inclinacin del eje terrestre. Consecuencias: las estaciones.

El movimiento de Rotacin. Consecuencias: das y noches.

Factores de la radiacin recibida: latitud; altura del sol sobre el horizonte; espesor de la atmsfera.

2- Otros factores: Efecto del relieve, del agua y la nubosidad.

Campo global de radiacin: caractersticas2.1. CARACTERSTICAS

Viaja en el espacio en forma de radiacin electromagntica (es decir con una componente elctrica y otra magntica). Newton consider que la radiacin estaba conformada por corpsculos y Huygens, a fines del siglo XVII, postul que consista en ondas que eran transmitidas a travs del ter. ste les serva de medio de propagacin, tal como los materiales slidos, lquidos y gaseosos sirven para la propagacin de las ondas acsticas. Einstein demostr en 1905 que el ter no era necesario y hoy la teora ondulatoria de la luz explica y describe a la Energa Electromagntica como una funcin sinuosa y armnica, que se propaga en el aire a una velocidad de 300.000 Km. / seg. Figura 1

Figura 1- Esquema de los vectores elctricos y magnticos en una onda.

La definicin de sinuosa responde a su modalidad ondulatoria y la de armnica implica que las ondas asumen valores que se repiten en determinados perodos. Es posible definir algunas propiedades de las ondas electromagnticas:

1- La frecuencia (f) puede ser definida como el nmero de picos que pasan por determinado punto en una unidad de tiempo. Se mide en hertzios Hz (1 Hertzio = un ciclo por segundo). 2- La longitud ((): distancia entre dos picos consecutivos medida en unidades relacionadas con el metro (desde micrmetros (m (un micrmetro es la millonsima parte de 1 mm) hasta metros. Tambin puede decirse que es la menor distancia entre dos puntos de la misma intensidad del campo elctrico E o del campo magntico H, o bien que es la longitud que se desplaza la onda en el espacio. 3- La intensidad: es directamente proporcional al cuadrado del vector campo elctrico (o magntico) y se mide en Watts / m2.4- La calidad: es igual a la longitud de onda ms la frecuencia

La fuente principal de energa del planeta es el sol, que radia a 6000 K. Del total de radiacin emitida por el Sol cerca de las 2/3 partes de esa energa alcanza la superficie terrestre, y el tercio restante se pierde en la atmsfera por reflexin, dispersin o absorcin. Se ha calculado que el flujo total de energa electromagntica proveniente del sol (llamada constante solar) tiene un valor de 2 caloras/ gramo/ cm2 por minuto, para un plano perpendicular a los rayos solares. En la prctica la unidad ms utilizada es el langley (1 Ly = 1 cal/ cm. 2).

ESPECTRO DE RADIACIN: (Figura 2)

La energa emitida por el sol se conoce como Espectro Electromagntico, se trasmite a la velocidad de la luz, y el rango de sus longitudes de ondas puede ir desde micrones hasta kilmetros. De modo sinttico en el Espectro pueden distinguirse las:

Radiaciones gamma y X: su longitud expresada en nanmetros las ubica entre 0,03 y 3 n. Estas ondas menores a 0,3 micrones del ultravioleta producen ionizacin del oxgeno en las capas altas formando la ionosfera que refleja las ondas de radio. Radiaciones ultravioletas: Son aquellas cuya longitud de onda est entre 0,004 y 0,38 micrones. Tienen importante actividad qumica especialmente mutagnica (por actuar a nivel de las molculas organizadoras del tipo de las de ADN) y bactericida. Afecta ms a la fertilidad que a la longevidad de los organismos mayores y retarda el crecimiento de algunos. Son casi totalmente absorbidos por la capa de ozono, en reacciones fotoqumicas que disocian el O3. Se sabe que es utilizada por las abejas y otros animales para orientarse, que altera la organizacin molecular y que las especies con ncleos de tamao pequeo como los musgos y hongos, son las ms resistentes. Radiaciones visibles: Longitud de onda entre 0,36 a 0,78 micrones. Son percibidas por clulas situadas en la retina, lo cual permite la visin. Un rayo de luz blanca puede descomponerse en colores que van de violeta, ail, azul, verde, amarillo, anaranjado al rojo los cuales se deben a la diferente longitud de onda de cada uno. La luz no destruye estructuras ni resulta en una agitacin trmica generalizada de molculas (como sucede con el calor) sino que est en condiciones de ser captada por molculas orgnicas del sistema pigmentario de las plantas verdes, llamadas clorofilas (azul verdosa) o (amarillo verdosa) y los carotenoides (amarillos y naranja). Radiaciones infrarrojas: Su longitud de onda es mayor de 0,78 micrones. Son productoras de calor por lo tanto, segn su longitud de onda, pueden destruir la estructura molecular y producir la agitacin generalizada de las molculas, segn sus formas de interaccin con la materia. Segn su longitud se subdividen en cercanas; medias y termales. Las micro ondas: Son las de mayor longitud (pueden llegar al orden de los kilmetros) y sta va aumentando desde las ondas cortas utilizadas por los radares, otras ms largas como las de TV y otras comunicaciones y luego las ms largas, que son las ondas de radio.Figura 2: Espectro de Radiacion

Del total de la energa recibida por la Tierra, 50% est en la faja del espectro visible, 40% en la del infra rojo y el 10% en la del ultravioleta

INTERACCIN CON LA MATERIA. COMPORTAMIENTO DE LA ATMSFERA

Al entrar en contacto con materia lquida, slida o gaseosa de la atmsfera, la energa electromagntica interacta con ella. Esa interaccin est regulada por numerosos factores, ligados a la forma y composicin de la Tierra, y de la materia sobre la cual incide la radiacin.

La composicin de la atmsfera vara con la altura, encontrndose su mayor densidad dentro de los primeros 10.000 metros de altura, capa en la cual se da la mayor parte de los fenmenos meteorolgicos. A partir de ella predominan los gases ms livianos, con tendencia a estratificarse y contener menor nmero de partculas por unidad de volumen.

La atmsfera se convierte en una especie de filtro entre la radiacin emitida por el Sol y la radiacin recibida. En los puntos siguientes, veremos algunas de esas formas de interaccin.

TABLA 1: Principales gases componentes de la atmsfera (%) y altura en que predominan.

Altura en Km.HidrgenoHelioArgn (1)OxgenoNitrgeno

14099,630,36--0,01

12099,350,46--0,19

10099,310,56-0,112,97

8065,110,47-1,8933,39

6010,690,100,0337,7081,33

400,670,010,2212,6486,43

200,04-0,5918,1081,24

100,01-0,9420,9978,02

50,01-0,9420,9477,89

00,01-0,9320,9478,09

(1) En la parte baja de la atmsfera hay pequea cantidades de gases inertes y estables llamados gases nobles como por ejemplo helio nen, argn, kriptn, xenn y radn.

El dixido de carbono (CO2) se combina fcilmente con la hemoglobina, absorbe las ondas largas irradiadas por la tierra, influyendo en el efecto invernadero. Penetra en la atmsfera a partir de la accin de los seres vivos de la tierra y el ocano, de la descomposicin de elementos orgnicos, de las fumarolas y otras emisiones volcnicas y de la combustin de elementos fsiles. El equilibrio de este gas es mantenido por la fotosntesis y la absorcin en ambientes ocenicos, donde disuelve los carbonatos de calcio.El monxido de carbono (CO) es producido por los volcanes, el tabaco, los escapes de autos y los hornos industriales.

El metano (CH4) tambin llamado hidruro de metilo y gas de los pantanos. Es inodoro, inflamable, soluble en agua, alcohol y ter y se forma en los pantanos por descomposicin de la celulosa. En yacimientos de hulla, al combinarse con el oxgeno, forma el llamado gas gris, altamente explosivo. Por combustin con el oxgeno forma anhdrido carbnico (CO2) y agua.

Form parte de la atmsfera primitiva junto con el amonaco NH3 y el anhdrido carbnico CO2, las radiaciones ultravioletas los disociaron en H4, H3 y H2, los cuales escaparon a la fuerza de gravedad terrestre por ser muy livianos, mientras que C, N y O quedaron en el campo gravitacional.

Aparentemente CH4 (metano), NH3 (amonaco) y H2O fueron afectados por las descargas elctricas, dando lugar a la formacin de aminocidos (bases de las protenas y a partir de ellos las cadenas de DNA y adenina.

En la atmsfera primitiva, todo el oxgeno del vapor de agua pasaba al CO2, por lo cual casi no haba C libre para formar monxido de carbono y slo lo hubo cuando aparecieron las plantas para generarlo por descomposicin fotosinttica.

PROCESOS QUE SUFRE LA RADIACIN EN CONTACTO CON LA ATMSFERA Es transmitida: cuando pasa a travs de las molculas gaseosas.

Es absorbida: cuando al entrar en contacto con las molculas de los gases eleva su temperatura. Es emitida: cuando su temperatura supera los 0 K y produce enfriamiento. Es dispersada: cuando es devuelta en todas direcciones, con modificacin de la longitud de onda recibida. Esta modificacin es proporcional al dimetro de la partcula en que haya incidido;

Es reflejada o devuelta sin sufrir cambios en la longitud de onda ni en el ngulo de incidencia.

Es difundida o devuelta como la suma de la radiacin dispersada ms la radiacin reflejada.

Para el ojo humano la atmsfera es prcticamente transparente a la luz, pero los gases que la componen actan selectivamente dependiendo ello de las caractersticas qumicas, fsicas del aire, de la configuracin de la superficie terrestre y de los factores de interferencia.

Al atravesar atmsfera, la radiacin sufre alteraciones debido a la absorcin de las longitudes menores de 0, 29 micrones, por parte del ozono a travs de reacciones fotoqumicas, por lo tanto la proporcin de ultravioleta que alcanza a la tierra es insignificante.

Del 100% de radiacin que penetra en las capas superiores de la atmsfera:

Del mismo modo que la tierra recibe, tambin devuelve radiacin trmica, en longitudes de onda larga mayores de 3 micrones, las cuales son absorbidas casi totalmente por el vapor de agua de la atmsfera y el dixido de carbono.

Esa fraccin de energa reflejada por la tierra, se expresa en porcentaje en relacin a la energa incidente y recibe el nombre de albedo, y es mayor para las superficies claras (arena, agua, tope de nubes, nieve, etc.). UNIDAD 2.2. FACTORES DE LA RADIACIN RECIBIDA

1- Factores csmicos:

La radiacin recibida en la superficie, tiene condicionantes csmicos derivados del comportamiento de la Tierra como parte del Sistema Planetario Solar. Deben considerarse algunos factores tales como:

1- la forma, (ensanchada hacia el Ecuador y achatada en los polos);

2- La distancia al sol (con relacin a la situacin de su rbita es variable a lo largo del ao, es en promedio de unos 149,6 millones de Km.);

3- la inclinacin del eje, que en cualquier momento de la rotacin, permanece siempre formando un ngulo de 66 33 con el plano de la eclptica;

4- los movimientos propios del Planeta: por su gran incidencia en el Clima, consideraremos dos: el de Rotacin y el de Traslacin.

El Movimiento de Rotacin: Figura 3

Tiene sentido oeste- este y se cumple en 23 horas 56 minutos y 4 segundos llamado da sidreo. A los fines prcticos se lo considera como de 24 horas agregando cada cuatro aos, el tiempo faltante, al mes de febrero.

Consecuencias:

Alternancia de das y noches,

Posibilidad de medir el tiempo,

Desvo de las aguas ocenicas y las corrientes del aire en sentido este- oeste, es decir, opuesto al que describe la Tierra en su rotacin.

Crea una zona de transicin de amaneceres y anocheceres entre da y noche.El hecho de que en 24 horas, todos los puntos de la superficie terrestre deban describir un giro de 360, hace que durante la rotacin, cada latitud registre una velocidad tangencial diferente que.

Expresada en metros por seg. esFigura 3

Estas velocidades no son percibidas porque la atmsfera participa del movimiento de rotacin con igual velocidad que la Tierra, (1.200 Km. /hora).

El Movimiento de Traslacin: Figuras 4 y 5 Dura 365 das y se realiza en una rbita ligeramente elptica (cuyo plano se conoce como eclptica), por lo tanto, durante el movimiento de traslacin la Tierra pasa por sus dos focos: El 4 de julio se sita en el afelio o mxima distancia del sol (152 millones de Km.) y el 3 de enero la Tierra est en perihelio, recibe un 7% ms de energa, ocupa el punto opuesto de la Eclptica, y registra el mximo acercamiento al Sol unos 146 millones de Km. (Figura 4)Figura 4: Forma de la rbita y posiciones que ocupa la Tierra.

Figura 5: Condiciones de iluminacin durante los solsticios y los equinocciosCondiciones de iluminacin

El 22 23 de diciembre, se ofrece al hemisferio sur la posibilidad de que los rayos solares incidirn perpendiculares al Trpico de Capricornio y sern tangentes al Crculo Polar Artico situado a los 66 33. La circunferencia de iluminacin incluir a las reas comprendidas dentro del Crculo Polar Antrtico y dejar a oscuras las comprendidas dentro del Crculo Polar rtico. Ese ser el momento del inicio del verano en el Hemisferio sur y del invierno en el Hemisferio norte.

El 21 22 de junio, se ofrece al hemisferio norte la posibilidad de que los rayos solares incidan perpendiculares al trpico de Cncer y sean tangentes al Crculo Polar Antrtico situado a los 66 33. La circunferencia de iluminacin incluir a las reas comprendidas dentro del Crculo Polar rtico y dejar a oscuras las comprendidas dentro del Crculo Polar Antrtico. Ese ser el momento del inicio del verano en el Hemisferio norte y del invierno en el Hemisferio sur. El 21 de marzo y el 23 de septiembre cuando se produzca la interseccin entre el plano de la eclptica y el Plano Ecuatorial se producirn respectivamente los equinoccios de primavera y otoo, para cada hemisferio. En ese momento, la circunferencia de iluminacin pasar por los polos y los rayos sern perpendiculares al Ecuador. Figura 6. Esquemita para ayudarlos a entender las condiciones de iluminacin en los solsticios y en los equinoccios. En stos, el eje est vertical como se los muestro en clase pero ya saben que es para entender que los rayos son perpendiculares al ecuador, pero en realidad siempre est inclinado.LA INCLINACIN CONSTANTE DEL EJE TERRESTRE DURANTE LA TRASLACIN ES CAUSA DE:

Los Cambios Peridicos de las Estaciones del ao.La Desigualdad en la duracin del da y la noche para diferentes latitudes. Factores de la radiacin recibidaLatitudTABLA 3:

Latitud01020304050606630

Da ms largo1212h 3513h 1313h 5614h 5116h 0918h 0918h 30

Da ms corto1211h 2510h 4710h 049h 097h 51 5h 300h

El concepto de da es cambiante segn la latitud, por cuanto deja de ser el de 24 horas para pasar a tener significacin como perodo de iluminacin, al punto que:

hacia los 70 el da dura entre 60 y 64 das;

hacia los 80 el da dura 127 a 134 das y

hacia los 90 el da dura 179 a 186 das.La siguiente TABLA 2 (tomada de Barry y Chorley Pg. 31) muestra la insolacin recibida por latitud y por poca del ao, en una superficie horizontal situada en el exterior de la atmsfera. Las cifras estn dadas en cal/cm2 /da.

TABLA 4

FECHA90 N70 N50 N30 N030 S50 S70 S90 S

22 diciembre001814808691073108911141185

4 de febrero0252985869051003937809834

21 de marzo03165937999237995933160

6 de mayo796722894958863560285240

22 de junio111010431020100581445017000

El grfico de la Figura 7 complementa a la tabla.

Ilustra sobre las condiciones de insolacin a diferentes latitudes y fechas del ao coincidentes con los solsticios y los equinoccios.

Figura 7: Radiacin recibida segn latitud y poca del ao, para el Hemisferio Sur.La altura del sol sobre el horizonte:

Es el ngulo formado por sus rayos y la tangente a la tierra en el punto de observacin.

Durante los equinoccios de otoo y primavera, el sol incide perpendicular al Ecuador y forma un ngulo de 90 con el horizonte y

Durante los solsticios de verano e invierno segn el hemisferio, el sol culmina casi perpendicular a los trpicos a los 232730.

Los principales factores que hacen variar la altura del sol y en consecuencia la inclinacin con que llegan los rayos son: 1- la latitud del lugar y la estacin del ao; 2- la hora del da.

La ley de Landsberg permite expresar muy bien las relaciones entre las caractersticas de los rayos de radiacin incidente, con relacin a la superficie y el ngulo que forma con ella.Ello se debe a que los rayos ms inclinados, del mismo haz de energa debe distribuirse en una superficie mayor con lo cual se pierde intensidad de radiacin.

La Ley de Landsberg expresa que: La intensidad calorfica de una relacin varia proporcionalmente al coseno del ngulo que forman el plano considerado y el plano perpendicular a los rayos solares (recordar que el coseno de 0 es 1 y el coseno de 90 es 0)

El grafico ilustra las condiciones de incidencia de los rayos solares, el ngulo que forman con la superficie. En la primera puede verse que, en la medida que los rayos llegan mas inclinados, el mismo haz de energa a B debe distribuirse en una superficie mayor con lo cual se pierde intensidad de radiacin. A B plano de la superficie del suelo; C B plano perpendicular a los rayosFigura 7: Relacin entre los rayos y la intensidad.El espesor de la atmsfera atravezada por los rayos solares:

Antes de llegar a la Tierra, la radiacin solar pierde intensidad al atravesar la atmsfera debido a los procesos de absorcin, dispersin, reflexin y difusin producidos por sus componentes.

La Ley de Bourger (Figura 8) expresa que:La intensidad de una radiacin que atraviesa un medio transparente decrece en progresin geomtrica, cuando la masa atravesada crece en progresin aritmtica.

Figura 8: Observe que es mayor el espesor de atmsfera atravesada a mayores latitudes.

Eso representa que, un pequeo aumento del espesor en la atmsfera atravesada provoca una gran merma en la intensidad calorfica y lumnica de la radiacin.

Tambin influye el grado de transparencia que tenga el aire, ya que la existencia de partculas influye en los procesos de absorcin, reflexin y dispersin, tanto ms cuando mayor sea su nmero y su tamao.

2- Otros factores:

Efecto del relieve:Metros s. n. m.Cal/cm2 /min.Metros s. n. m.Cal/cm2 /min.

12001,6239001,69

16001,5953001,71

23001,66220001,78

A mayor altura, mayor radiacin recibida debido a la disminucin de la masa atmosfrica y de los factores de prdida (absorcin, la reflexin y dispersin), propias de las capas ms bajas donde es mayor la densidad de partculas. TABLA 4Efectos en el aire y el agua:

La absorcin de radiacin es mayor en el agua que en la atmsfera y adems es diferente para los distintos sectores del espectro. En el agua penetra ms el visible (si las aguas son claras el azul y el verde pueden sobrepasar alcanzar los 70 m.). Si las aguas son oscuras o turbias por la presencia de partculas, la absorcin de la radiacin se hace en los primeros metros, penetrando muy poco en profundidad. La luz penetra con mayor facilidad en aguas quietas que en las turbulentas debido a que el oleaje produce muchas prdidas por reflexin. 9- Nubosidad

La insolacin depende de la cantidad de nubes y de su espesor, debido a las prdidas que ellas producen por absorcin y reflexin. Es por ello que:

1 La radiacin en superficie, es menores en las reas ecuatoriales y circumpolares de vientos del oeste, debido a la intensa formacin de capas nubosas.2 La radiacin en superficie, es mayor en las reas tropicales, debido a la escasa nubosidad que se origina en las altas presiones propias de esas latitudes.

Radiacin solar recibida en latitudes medias:

Las oscilaciones diarias y estacionales son muy marcadas debido a la:

a) gran variacin del ngulo de incidencia de los rayos solares entre verano e invierno y

b) a la gran diferencia entre el da y la noche.

Ms all de los trpicos, casi hasta los 43 de latitud:

a) lo que se gana en radiacin por la mayor duracin del da, compite con lo que se pierde por la menor elevacin del sol y por el mayor espesor de atmsfera atravesada.

b) prcticamente hay una compensacin entre el verano y el invierno.

En altas latitudes:

Hay poca variacin de insolacin debido a que:

a) El ngulo de incidencia del sol es siempre muy pequeo y b) la noche es muy larga.

Hacia los 50 la cantidad de luz solar recibida en el verano, combinada en intensidad y duracin, es mayor que la recibida en el Ecuador.

Hacia los 62 de latitud, la mayor duracin del da ya no compensa la oblicuidad de los rayos y pasando a mayores latitudes, la duracin del da crece rpidamente, llegando a 24 horas en los Crculos Polares.

En los polos, la elevacin del sol llega a 23 30 en el solsticio y en el invierno no hay iluminacin

INFORMACIN COMPLEMENTARIA DE LECTURA OBLIGATORIA PARA LA MEJOR COMPRENSIN DE LOS TEMAS ANTERIORES

MOVIMIENTOS DE LA TIERRA

1- La rotacin:

La Tierra gira en su eje a 1.200 Km. /hora y la velocidad es diferente para cada latitud. Expresado en metros por segundo: 0 = 465; 20 = 437; 40 = 357; 60 = 283; 80 =81 y a los 90 = 0

Consecuencias:

Alternancia de das y noches, posibilidad de medir el tiempo, desvo de corrientes marinas y areas y crea una zona de transicin de atardeceres y anocheceres entre da y noche.

2- La Traslacin:

La Tierra recorre su rbita en 365 das 5 horas 48 y 50. Eso representa que se desplaza a razn de 2.784.800 Km. por da

o lo que es igual, a 115.200 Km. por hora; 1.920 Km. por minuto y 32 Km. por segundo.

Si un vehculo desarrollara esas velocidades, en 20 dara la vuelta al mundo.

La rbita terrestre es elptica y el Sol ocupa uno de sus focos, por lo cual durante el perihelio se sita a 147.000.000 de Km. del sol y durante el afelio a 152.000.000 de Km.

El perihelio se produce el 3 de enero y durante el mismo la energa recibida en la parte superior de la atmsfera es un 7% ms de la que se recibe en el afelio, que se produce el 4 de julio.

2- Lecturas obligatorias

Barry R. y Chorley, R. 1972. Atmsfera, Tiempo y Clima. Pg. 27 a 53.

De Fina, Armando y Ravello, Andrs. 1973. Climatologa y Fenologa Agrcolas Captulo III

Polansky, Jorge. 1974. Geografa Fsica General Polansky, R. Captulo 4.

Margalef, Ramn. Ecologa. 1974. Pg. 103 a 119.

CONSIGNA:

Comparar los mapas:

de la Figura 7 tomado de Barry y Chorley Pg. 37 que muestra la cantidad anual de radiacin (expresada en kilolangleys/ ao), que recibira una superficie horizontal situada al nivel del mar, representa las condiciones de radiacin que recibe la superficie terrestre).

con el de la Figura 8 tomado de Miller, A. Pg. 41 que representan las condiciones de nubosidad anual, para la superficie terrestre, expresado en dcimas de cielo.Sacar sus conclusiones.

Figura 7: Campo global de Radiacin

Figura 11: Campo de nubosidad en la superficie terrestre.

La constante solar se reparte sobre la superficie de la esfera terrestre, en rotacin, (4 ( r2)

por lo tanto cada cm. 2 recibe 0,5 cal/ gr. / cm. 2 /minuto.

Esto explica que en 1 hora = 60 minutos recibe 30 cal/ gr. / cm. 2 y

en 24 horas se reciben 720 cal/ gr. / cm. 2

Es reflejado al espacio un 23% por las nubes, un 6% por el aire, el polvo y el vapor de agua y un 7% por la superficie de la Tierra.

Es absorbido un 3% por las nubes, por el aire un 14% y por la Tierra un 47%.

De la Radiacin emitida por el Sol:

Casi un 40% es devuelto al espacio, y el 60% restante calienta la Tierra y el aire.

a los 0 = 465; 20 = 437; 40 = 357; 60 = 283; 80 =81 y a los 90 = 0

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