METEOROLOGÍA y CLIMATOLOGIA AMBIENTAL

LA ENERGÍA DEL SOL A la definición de energía de Thomas Young*, como la

capacidad de hacer un trabajo, siguió la primera ley (conservación de la energía) de Helmholtz. Al descubrirse la radiación, Einstein demostró que materia y energía son intercambiables. La primera ley también explicó el origen de la energía, aparentemente inagotable, del Sol. Al conocerse que un gramo de materia convertido en energía equivale a 1.850 toneladas de gasolina, fue fácil explicar la luz y el calor de las estrellas.

En el Sol, la fusión de dos átomos de hidrógeno en un átomo de helio convierte en energía la masa sobrante a razón de 4'600.000 toneladas por segundo. El resultado es una radiación permanente de ondas electromagnéticas, entre ellas la luz y el calor.

En la Tierra recibimos una pequeña parte de esta radiación, pero es más que suficiente para todos los procesos que se llevan a cabo en el planeta.

ENERGÍA DE SERES VIVIENTES La energía no se crea ni se destruye, pero se transforma.

Este proceso no es solo aplicable a los fenómenos físicos que observamos, sino también al proceso de la vida.

Definir la vida es encontrar el elemento que permite a los seres vivientes –no los inanimados-- actuar espontáneamente. Este movimiento y la capacidad de hacer un trabajo de los seres vivientes escapaba a las leyes de la física. Esta fuerza vital tenía origen desconocido en el ser viviente; hasta siglo XVIII.

El concepto de la energía intercambiable y su conservación, resultó necesario incluir a los seres vivientes. Si la energía no se crea ni se destruye, el hombre que tira una piedra ha recibido la energía necesaria del sistema en el que vive.

La integración de los seres vivientes al sistema cambió radicalmente nuestra visión del Universo. El movimiento de los seres vivientes requería de una explicación termodinámica. Había que encontrar cuál era el proceso de transformación de energía que los mueve.

ENERGÍA NO RECUPERABLE El año 200 Galeno observó la similitud entre la

combustión y la respiración. 1.500 años después los químicos lo relacionaron con la liberación de energía por combustión. Mientras tanto los físicos habían definido el concepto de energía, y habían integrado a los seres vivientes al sistema.

A inicios del siglo XIX, nuevos equipos permitieron cuantificar la energía y se estableció la unidad para medirla (la caloría).

En 1824 el francés Nicolás Sadi Carnot publicó "El poder motriz del fuego", que explicaba el proceso de conversión de una forma de energía a otra, siempre con una fracción irrecuperable. La energía no se destruye, pero una fracción se pierde al no poder ser utilizada.

En 1850 el físico alemán Rudolph Clausius postuló la segunda ley de termodinámica que establece que todos los procesos energéticos tienden a igualar temperaturas, perdiendo constantemente energía al convertirla en calor irrecuperable. Clausius llamó a esta pérdida entropía

LA VIDA TERMODINÁMICA Mientras tanto los químicos descifraron las

reacciones de la combustión. En 1781 Cavendish, uniendo hidrógeno y oxígeno, produjo calor y agua. Lavoisier descubrió que la respiración es una reacción química que combina carbono con oxígeno, produciendo anhídrido carbónico (CO2) y agua: los mismos resultados que produce la combustión del carbón o de la madera. Por el camino de la química se llegó a la similitud energética entre los organismos vivos y los inertes. Esto permitió definir la vida en términos químicos y físicos, y los seres vivientes pasaron a formar parte del sistema gobernado por las leyes de la termodinámica.

Los procesos físicos, químicos y biológicos en el sistema tierra-atmósfera, del 100% de energía que la tierra necesita para llevarlos a cabo, el Sol es fuente del 99.97%, el 0.03% restante proviene de los planetas, estrellas, la luna, etc.

 La energía que llega a la tierra es transformada en energía calorífica y/o en energía química. En energía calorífica lo realizan todos los medios o cuerpos que absorben RS; esta es responsable de los procesos de evaporación, transpiración, de gradación de las rocas, movimiento del aire, etc. Por otro lado, también, es utilizada en calentadores solares, cocinas solares, generación de corriente eléctrica, etc. La transformación de energía química lo realizan las plantas en el proceso fotoquímico de la fotosíntesis.

La importancia del estudio de la RS para la agricultura radica en que las plantas son los únicos seres vivos que pueden aprovechar esta energía a través de la fotosíntesis. Además los cambios regulares en las distancias relativas tierra sol y los ángulos de incidencia sobre esta actúan como factor determinante de variaciones de las T° atmosféricas en puntos fijos del globo, que a su vez influyen en las variaciones de presión, sistemas de viento, precipitación, corrientes marinas, etc.

LEYES DE RADIACIÓN.1. Los objetos que son buenos absorbedores

de radiación son también buenos emisores. Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmósfera, porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda. Así, la atmósfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiación y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda. Por ejemplo es transparente a la luz visible, que llega a la superficie.

La nieve es también absorbedor selectivo: es mal absorbedor de la luz visible ya que refleja ~90% y es buen absorbedor (y emisor) de la radiación infrarroja de longitud de onda larga.

Esquema de la cantidad de radiación solar y terrestre.

CONSTANTE SOLAR RADIACIÓN ASTRONÓMICA

Constante solar Es la cantidad promedio de radiación recibida en un punto perpendicular a los rayos solares, localizado fuera de la atmósfera en la distancia media entre la Tierra y el sol. La cantidad real de radiación solar recibida en el borde exterior de la atmósfera varía ligeramente según la producción de energía del sol y la distancia de la Tierra en relación con este. Debido a la excentricidad de la órbita terrestre alrededor del sol, la Tierra se acerca más a este en enero que en julio. Además, la radiación emitida por el sol varía un poco, probablemente en un porcentaje mínimo. Estas ligeras variaciones que afectan la constante solar son triviales si se consideran las propiedades atmosféricas que agotan la cantidad total de radiación solar que cae sobre la superficie terrestre.

1,94 cal/cm2 min1.353 W/m2 428 Btu/pies2 h4,871 kJ/m2 h

CONSTANTE SOLAR RADIACIÓN ASTRONÓMICA

EL BALANCE DE RADIACIÓN DEL PLANETA

Esta energía se trasmite hasta la tierra en forma de ondas electromagnéticas, las cuales tienen diferentes longitudes. El conjunto de las distintas longitudes de omda emitidas por un cuerpo se denomina espectro de este cuerpo y esta estrechamente relacionado con su temperatura, mientras mayor sea ésta, menores serán las longitudes de ondas emitidas por él.

El conjunto de ondas emitidas por el sol se llaman espectro solar. Y en el se distinguen tres tipos:

Los rayos ultravioletas. Con longitud entre 0.1 y 0.4 micrómetros y que transportan –junto con los rayos X y los rayos gamma- un 9% de la energía total emitida por el sol

Los rayos visibles o luminosos, con longitudes de onda superiores –entre 0.4 y 0.78- y transportan el 41%

Los rayos infrarrojos, comprendidas entre 0.78 y 3 micrómetros y transportan el 50%

Espectro solar y longitud de ondas La luz se propaga en forma de ondas electromagnéticas.

Estas, incluyendo las luminosas, también tienen una longitud. La diferencia de color entre los rayos luminosos depende realmente de sus longitudes de onda.El espectro solar es una pequeña parte del más amplio espectro de las ondas electromagnéticas que atraviesan el espacio.El ojo humano es un receptor (recibe) y un selector (selecciona), porque absorbe sólo algunas ondas luminosas no todas. El ojo solo percibe una pequeña porción de este espectro y que va de los 400 a 700 nanómetros.La luz blanca se encuentra formada por todas las longitudes de onda o colores. Los objetos absorben gran parte de los colores de espectro y reflejan una parte pequeña. Los colores que absorbe un objeto desaparecen en su interior y los colores que refleja, son los que nosotros vemos.

La luz se propaga por el movimiento ondulatorio de las ondas. Se pueden explicar de esta manera los fenómenos de difracción, interferencia y

polarización.

Espectro de luz de una llama de mechero

FACTORES QUE ATENÚAN LA RS EN EL TOPE DE LA

ATMOSFERA

• ALTURA DEL SOL• LATITUD DEL LUGAR• EPOCA DEL AÑO• HORA DEL DÍA

La cantidad de RS recibida en los distintos puntos del limite superior de la atmósfera varía en función de dos hechos: el tiempo de exposición al sol experimentado por cada uno de los puntos, y el ángulo con que en ellos inciden los rayos solares

ALTURA DEL SOL Cuando hablamos de constante solar, tuvimos en cuenta que

era la energía que llegaba a una superficie perpendicular a los rayos solares, sin embargo esto no es lo que ocurre generalmente.

Si definimos como altura del sol al ángulo que forman los rayos de este con el horizonte a partir del punto de observación, veremos que a una mayor inclinación le corresponde un mayor ángulo, o sea mayor altura solar y la intensidad de radiación es mayor por unidad de área. La altura solar máxima es de 90°

La cantidad de radiación solar recibida en una hora y un lugar específicos del sistema Tierra-atmósfera se llama insolación (en inglés, insolation, de incoming solar radiation). La insolación esta determinada por cuatro factores:

La constante solar La transparencia de la atmósfera La duración de la luz del día El ángulo con el que los rayos

solares caen sobre la Tierra

Ángulo de los rayos El ángulo con que los rayos solares caen sobre la Tierra varía a

medida que el sol "se mueve" de un lado a otro del ecuador. Una superficie relativamente plana y perpendicular a un rayo solar vertical recibe la mayor cantidad de insolación. Por consiguiente, las áreas donde los rayos solares son oblicuos reciben menos insolación, ya que estos deben atravesar una capa más espesa de la atmósfera y se dispersan sobre una superficie mayor. Este mismo principio se aplica al desplazamiento diario de los rayos solares. Al mediodía, se produce la mayor intensidad de insolación. Durante la mañana y la tarde, cuando el sol se encuentra en un ángulo bajo, la intensidad de la insolación es menor.

FACTORES QUE ATENÚAN LA RS EN EL TOPE DE LA

ATMOSFERA

• ALTURA DEL SOL• LATITUD DEL LUGAR• EPOCA DELAÑO• HORA DEL DÍA

La transparencia es una función no sólo de nubosidad sino también de latitud. Los rayos solares deben atravesar una capa de atmósfera reflectora de dispersión más espesa en las latitudes intermedias y altas que en las tropicales (fig.a). Este efecto varía según las estaciones: en invierno es mayor (en el norte) cuando el eje terrestre se aleja del sol y hace que los rayos solares sean menos intensos en el horizonte (fig. b)

Fig. a. Relación entre la transparencia

y la latitud

Fig. b: Efecto estacional de la transparencia

en determinada ubicación

FACTORES QUE ATENÚAN LA RS EN EL TOPE DE LA

ATMOSFERA

• ALTURA DEL SOL• LATITUD DEL LUGAR• EPOCA DEL AÑO• HORA DEL DÍA

La época del año esta representado por un ángulo que se denomina declinación solar. Este ángulo es la distancia angular norte o sur con el plano del Ecuador.

La declinación solar varía desde 23°27´ cuando los rayos solares inciden perpendicularmente al Trópico de Cancer hasta un valor de -23°27´ cuando inciden perpendicularmente al Trópico de Capricornio

FACTORES QUE ATENÚAN LA RS EN EL TOPE DE LA ATMOSFERA

• ALTURA DEL SOL• LATITUD DEL LUGAR• EPOCA DELAÑO• HORA DEL DÍA

Duración de la luz del día Mientras más largo sea el período de luz solar, mayor será la

posible insolación total. La duración de la luz del día varía con la latitud y las estaciones. En el ecuador, el día y la noche son siempre iguales. En las regiones polares, el período de luz del día alcanza un máximo de 24 horas en verano y un mínimo de cero horas en invierno. La figura muestra cómo varía esta duración con las estaciones en el hemisferio norte

RADIACIÓN SOLAR DISPONIBLE EN EL TOPE DE LA ATMOSFERA (Qs)

LATITUD DEL LUGAR (Φ )