Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera. 1. Introducción. 2. Mecanismos de transferencia de calor. 3. Radiación. 4. Radiación solar. 5. Radiación terrestre y atmosférica. 6. Efecto invernadero. Efecto de la atmósfera. 7. Balance energético.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.
MECANISMOS DETRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCIÓN
La energía pasa de un cuerpo a otro (o dentro de un mismocuerpo) por contacto, mediante los choques de las moléculasvecinas en sólidos, líquidos o gases.
La energía fluye del cuerpo más caliente al más frío y no cesahasta que se alcanza el equilibrio térmico.
La conductividad térmica del aire ( = 2,53x10-2 Wm-1K -1) estan baja que de hecho es un buen aislante térmico.
z
T A
t
QcondQ
Por lo tanto, este mecanismo es poco efectivo en laatmósfera, salvo entre la superficie terrestre y el aireinmediatamente en contacto.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.
RADIACIÓN
El Sol es la fuente más importante de energía en el sistemaTierra-atmósfera.
Es por ello que se hace necesario caracterizar la energíaprocedente del Sol. Esta energía se origina en los procesosde fusión nuclear que en él ocurren y que dan lugar a T muyelevadas.
Esta energía se propaga en forma de radiación EM en elvacío y se transfiere a la atmósfera y a la superficie porabsorción y dispersión de sus fotones.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.
RADIACIÓN
TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: ondas producidas porla oscilación o la aceleración de cargas eléctricas o cuandolos electrones ligados a átomos o moléculas verifican
transiciones a estados de menor energía.
Cuando un campo eléctrico o magnético varía con eltiempo, se induce en las regiones próximas del espacio uncampo distinto o perturbación electromagnética que se
propaga en el vacío SIN NECESIDAD DE SOPORTEMATERIAL.
Esta perturbación del campo eléctrico y magnético tienelas propiedades de una onda: ONDA ELECTROMAGNÉTICA.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.
RADIACIÓN
TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.Por orden creciente de energía, la absorción de un fotónpuede provocar:
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO (continuación)
Los estados de energía superiores tienen, en general, untiempo de existencia limitado, pues la molécula tiende arecuperar su estado de energía fundamental.
aumento de energía rotacional: infrarroja y microondas
aumento de energía vibracional: infrarroja
excitación electrónica de valencia: visible, UV, RX
fotoionización (pérdida de e-) y fotodisociación (rotura demoléculas): RX y
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.
RADIACIÓN
TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
Para entender la interacción radiactiva entre el Sol y elsistema Tierra-atmósfera, debemos introducir ciertosconceptos que permitirán caracterizar cuantitativamente la
radiación:FLUJO RADIANTE, , de una superficie
Energía emitida, transferida o incidente en un intervalo detiempo dividido por el valor de dicho intervalo:
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”.
RADIACIÓN
TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO (continuación)
El flujo total emitido y recibido es el resultado de integraren todo el dominio de longitudes de onda, las densidadesde flujo espectrales emitida y recibida, respectivamente:
0dEE
0
dR R
TODO CUERPO a T > 0 K emite energía en forma deradiación EM de espectro continuo, consecuencia del
movimiento acelerado de los e-
del cuerpo debido a suagitación térmica.
A T ordinarias la mayoría de los cuerpos son visibles no porla luz que emiten sino por la que reflejan.
A T elevadas los cuerpos son luminosos por sí mismos.
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO (continuación)Un cuerpo está en EQUILIBRIO RADIACTIVO si el cuerpoemite tanta radiación como absorbe del exterior (ni secalienta ni enfría).
PODER ABSORBENTE o ABSORBANCIA o ABSORTIVIDAD:
Supongamos que un cuerpo recibe una radiación…
INCIDENTE
REFLEJADA
DIFUNDIDA
TRANSMITIDA
… parte de la energía incidente seráreflejada, parte será enviada en todasdirecciones (difundida) y otra penetrará
en el cuerpo se transmitirá a través de élsaliendo al exterior (transmitida).
La suma de estas energías es inferior a la incidente.DÉFICIT = energía absorbida. ABSORBANCIA:
Como buena aproximación se considera un cuerpo con unacavidad interior abierta al exterior por un pequeño orificio:
Figura 3.5. Cuerpo negro. La luz que entra a través del orificio esprácticamente absorbida en su totalidad por lasparedes después de sucesivas reflexiones.
Supongamos que se calientan las paredes hastauna temperatura T.
El equilibrio radiactivo en la cavidad seestablecerá cuando los átomos de la superficieinterior emitan tanta radiación como absorben desus vecinos por unidad de t y para todas las .
Un cuerpo negro emite radiación EM en un espectro continuo
de longitudes de onda.La emitancia radiante monocromática o espectral sólodepende de T (ley de Planck), de tal forma que cuanto máscaliente esté el cuerpo, la radiación, no sólo se hace másintensa (E ∝ T4, ley de Stefan-Boltzmann) sino que el máximo
de E se alcanza para longitudes de onda más cortas (Figura3.6, máxT = cte Ley de Wien).
Un cuerpo negro es un modelo útil para determinar cuaneficiente es un cuerpo absorbiendo y emitiendo radiación.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 B l d l l ó f
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO (continuación)La misma cantidad de energía sería reflejada hacia dentro si R incidiese desde el interior y la cantidad de energía que sepropaga hacia fuera sería la energía radiante emitida.
Para un cuerpo real, se define laemisividad, , como el cocienteentre la emitancia radiantemonocromática, E, del cuerpo realy la emitancia del cuerpo negro:
bEE
siendo 0 ≤ ≤ 1.
Dependerá de: su naturaleza, T y la a la que se esté emitiendo. CUERPO NEGRO: = 1.
Figura 3.7b.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 B l d l l t ó f
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO (continuación)Si la emisividad es constante y menor que 1 para todas laslongitudes de onda, = , se dice que el cuerpo es gris, ytoda la distribución espectral de la radiación que emite esproporcional a la del cuerpo negro a la misma T:
b4 ETE
LEY DE KIRCHOFF
La emisividad de un cuerpo en equilibrio radiactivo, a esa T y
a la misma longitud de onda, es igual a su poder absorbente: a
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 B l d l l t ó f
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO (continuación)LEY DE KIRCHOFF: consecuencias fundamentales.
a) Si un cuerpo a una determinada T absorbe fuertementeradiación de una cierta , será igualmente un buen emisor de
radiación para esa .Cuerpo con buena absorbancia es un buen emisor, y viceversa.
Un buen reflector es un mal emisor.
b) Si un cuerpo a una determinada T está rodeado de paredes
a la misma T, para mantener el equilibrio térmico es necesarioque la energía radiante por unidad de tiempo absorbida por elcuerpo procedente de las paredes sea igual a la emitida por lasuperficie del cuerpo.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 B l d l l t ó f
RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO (continuación) Veremos que la radiación emitida por el Sol y la emitida por laTierra se aproximan a la emitida por cuerpos negros detemperaturas 6000 y 300 K, respectivamente.
La Tierra y las nubes absorben parte de la radiación que lesllega del Sol y por lo tanto se calentarán y emitirán radiación.
El balance de radiación en el sistema Tierra-atmósfera es talque:
emitida.raddebidosalesolar.raddebidoentra EE
CONSECUENCIA:Temperatura media del sistemaTierra-atmósfera constante
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 B l d l l t ó f
Desde que la radiación solar es emitida, la distribución espectraly la intensidad que llega a la superficie terrestre dependerá dealgunos parámetros astronómicos y de su interacción con laatmósfera.
TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Interacción con la atmósfera:la radiación puede ser absorbida
dispersada
reflejada
Alcanza el sueloun 50 % de la
energía recibidaen tope de
atmósfera
NIVEL DEL MAR (Fig. 3.8):La rad. presenta zonas que han sidoabsorbidas por gases atmosféricos
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 Balance de calor en la atmósfera
Es la cantidad de energía que se recibe por unidad detiempo y por unidad de área sobre una superficieperpendicular a los rayos solares localizada en el borde
exterior de la atmósfera, a la distancia media Tierra-Sol deR ST = 1,496x108 km (1 UA).
El valor medido a esta distancia promedio es 1368 W m-2.
Este valor presenta pequeñas fluctuaciones inferiores al 1 %debido a los ciclos solares.
RADIACIÓN SOLAR 1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 Balance de calor en la atmósfera
DISTANCIA SOL-TIERRA (continuación)ÓRBITA TERRESTRE:
Debido a que la excentricidad es muy pequeña, lasdesviaciones de insolación a lo largo del año no superan el7 %.
Para corregir el efecto de la excentricidad se puede usar lasiguiente expresión matemática:
22 ab1 e
365
d2cos033,01
R
R n
2
ST
ST
dn: nº del día del año (1 ≤ dn ≤ 365) donde:
La variación estacional de la insolación deberían provocarinviernos más suaves en HN y veranos más calurosos enHS, que se ven amortiguados por las diferencias de T entreocéanos y continentes y la circulación atmosférica.
RADIACIÓN SOLAR 1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 Balance de calor en la atmósfera
ALTURA DEL SOL, S Ángulo que forman los rayos solares con la horizontal a lasuperficie terrestre.
Produce variaciones mucho más importantes en lainsolación:
S
2
ST
ST
2
ST
ST0 sen
R
R Scos
R
R SF
Cuanto mayor sea la altura del Sol con respecto a nuestrocénit, más perpendicularmente incidirán los rayos y por lotanto:
más concentrada estará la intensidad de radiación enun determinada área de la superficie terrestremenor atenuación del rayo por absorción y reflexión enla atmósfera.
RADIACIÓN SOLAR 1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre yatmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3 Balance de calor en la atmósfera
- La rotación de la Tierra en torno a su eje da lugar avariaciones diarias de insolación:
Ecuador: duración del día es de 12 h ( = 0 h0 = 90º Nd = 12h).
Polos: varía de 0 a 24 h a lo largo del año.
- Durante los equinoccios (S = 0): duración del día es 12 h en
todas las latitudes.- La inclinación del eje polar en relación con el plano de laelíptica da lugar a cambios estacionales en la insolación:mayor radiación recibida en verano que en invierno (HN)porque los rayos se aproximan más a la normal.
RADIACIÓN SOLAR 1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
La radiación solar entrante en la atmósfera está sometida aprocesos de absorción, dispersión y reflexión que atenúanla cantidad de insolación que llega a la superficie.
REFLEXIÓN:
Una parte de la radiación que llega a la atmósfera esreflejada por las nubes y la superficie terrestre.
ALBEDO, , es la relación entre la intensidadde radiación solar reflejada por una superficie y
la radiación total que incide en ella.
El albedo planetario promedio (superficie terrestre yatmósfera) es 0,33.
Resulta de promediar anualmente los albedos sobre todo
tipo de superficie y latitud.
RADIACIÓN SOLAR 1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
Cuando la radiación atraviesa la materia, su campo EM haceoscilar los e-, que a su vez emiten radiación en distintasdirecciones como si fueran nuevas fuentes de emisión.
En la atmósfera son las moléculas y átomos del aire, agua ypartículas las que dispersan la radiación.
Este mecanismo supone una redistribución de energía quetiene como consecuencia la disminución de la intensidad dela radiación incidente.
Dependiendo de la relación entre la longitud de onda de laradiación incidente y el tamaño de la partícula dispersorapueden tener lugar dos tipos de dispersión:
Dispersión Rayleigh
Dispersión Mie
RADIACIÓN SOLAR 1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.
6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
La radiación directa y la difusa que alcanza la superficie dela Tierra es reflejada según el albedo de la superficie yabsorbida.
La radiación absorbida hace aumentar la temperatura de lasuperficie en función de su calor específica.
Esta energía pasa a formar parte de la energía interna delsistema Tierra-atmósfera.
Servirá en parte para poner en movimiento las masasatmosféricas y oceánicas por transformaciones de energíapotencial, calor latente y energía cinética.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
También parte será emitida en forma de radiación: elsistema Tierra-atmósfera radia aproximadamente como uncuerpo negro a unos 300 K.
Aunque parte de la radiación solar es absorbida por losgases atmosféricos, es la radiación terrestre de onda larga laque calienta la atmósfera por medio de los gasesinvernadero.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Principales absorciones:
CO2 13 – 17, a 2.5 y 4 m
O3 a 9.7 m
Vapor de agua < 3.5, 5-8 y > 12 m
VENTANA ATMOSFÉRICA:
Existe una región entre 8-12 m en que la atmósfera esprácticamente transparente a la radiación terrestre.
Escapa al espacio exterior sin ser absorbida.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
Teniendo en cuenta que la Tierra se encuentra en equilibrioradiactivo, se puede considerar que la radiación solar deonda corta que entra en el sistema Tierra-atmósfera es iguala la de onda larga que sale al exterior.
La atmósfera absorbe principalmente radiación procedente
de la superficie (desde abajo) y emite hacia el exterior yhacia superficie terrestre también.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Esto hace que la temperatura de la atmósfera sea inferior ala de la superficie, que absorbe onda corta procedente del
Sol y larga procedente de la atmósfera.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
En el modelo anterior puede considerarse la existencia deuna capa atmosférica a temperatura Ta con coeficientes detransmisión para la radiación solar, S, y para la radiación
terrestre, T.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Diagrama de flujos de energía:
4 /S1F0 aF
gT F
Tg
Figura 3.23. Modelo de equilibrioradiactivo con atmósfera.
0S FaF
4gT
Ta
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
PAPEL TÉRMICO DE LA ATMÓSFERA (continuación):MODELO 2 (continuación)
Dando valores:
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
4 /S1F0 aF
gt F
Tg
0S F
aF4
gT
Ta
4 /S1F0 aF
gt F
Tg
0S F
aF4
gT
Ta - atmósfera casi transparente a la radiación solar: S = 0,9
Tg = 286 K
- atmósfera casi opaca a la radiación terrestre: T = 0,2
BUENA APROXIMACIÓN
EFECTO INVERNADERO:
Incremento de unos 30 K en la temperatura media efectivadel suelo como consecuencia de la distinta transmitancia quepresenta la atmósfera a la radiación de onda corta (solar) y
onda larga (terrestre).
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.
Los estudios realizados indican que la temperatura de laTierra se ha mantenido constante lo que significa que existeun equilibrio radiactivo entre la cantidad de radiación solarentrante y la terrestre saliente.
A pesar de este balance radiactivo se observa un gran
desequilibrio en la distribución de la radiación absorbida yemitida en altura.
1. Introducción.
2. Mecanismos de
transferencia de calor.
3. Radiación.
4. Radiación solar.
5. Radiación terrestre y
atmosférica.6. Efecto invernadero. Efecto
de la atmósfera.
7. Balance energético.
Además ciertas regiones del planeta reciben en promediomás energía solar que otras lo que supone un fuertedesequilibrio latitudinal.
Veremos cómo se distribuyen los flujos radiactivos a nivel sesuelo, troposfera y estratosfera. Esta capa se considera quees la última que emite tanta emergía como absorbe, y en latroposfera encontraremos un déficit porque emite más que
absorbe. En el suelo el balance será positivo.
Licenciatura en Química: “Física de la Atmósfera”. TEMA 3. Balance de calor en la atmósfera.