Componentes y Leyes de la Radiación Solar: Absorción, Emisión y Efectos Atmosféricos
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Radiación Solar: Componentes y Definiciones
Radiación directa: Es la radiación solar que llega directamente del sol sin ser dispersada por la atmósfera.
Radiación difusa: Es la radiación solar que ha sido desviada de su trayectoria original debido a la reflexión y refracción en la atmósfera.
Radiación total: Es la suma de la radiación directa y difusa que incide sobre la superficie terrestre.
Constante Solar
La Constante Solar es la cantidad de energía solar que se recibe por unidad de tiempo en una superficie perpendicular a los rayos solares fuera de la atmósfera terrestre, a una distancia media del sol. Su valor aceptado es de S = 1368 W/m2.
Poder Absorbente de un Cuerpo
La radiación que incide sobre un cuerpo puede ser absorbida, reflejada o transmitida. Se cumple la relación: aλ + rλ + tλ = 1
Cuerpo Negro
Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente. Por lo tanto: aλ = 1, rλ = 0, tλ = 0. La energía absorbida (Ea) es igual a la energía incidente (Ei), y la energía reflejada (Er) es cero.
Cuerpo Blanco
Un cuerpo blanco refleja toda la radiación incidente. Por lo tanto: rλ = 1. La energía reflejada (Er) es igual a la energía incidente (Ei), y la energía absorbida (Ea) es cero.
Intensidad de Radiación
La Intensidad de Radiación es la energía radiante que atraviesa un plano imaginario en el espacio por unidad de área, tiempo y ángulo sólido perpendicular al plano. Se expresa en W/m2. I = dQ / (dA dt dw), donde dQ es la energía incidente, dA es la superficie, dt es el tiempo y dw es el ángulo sólido.
Flujo de Energía Radiante
El flujo de energía radiante es la energía irradiada por un cuerpo en la unidad de tiempo.
Poder Emisivo Monocromático
El poder emisivo monocromático es la energía radiante emitida a una longitud de onda específica por unidad de tiempo, superficie e intervalo de longitud de onda. Se mide en Wm-2μm-1.
La energía radiante emitida por un cuerpo depende de su naturaleza, superficie, temperatura absoluta, dimensiones y tiempo.
Leyes de la Radiación
Función de Planck
La Función de Planck describe la radiación emitida por un cuerpo negro en función de la longitud de onda y la temperatura: E = C1λ-5(e(C2/Tλ) - 1)-1, donde C1 y C2 son constantes (C1 = 1.1910439 x 10-16 Wm2 sr-1, C2 = 1.438769 x 10-2 m K), T es la temperatura en Kelvin y λ es la longitud de onda en metros.
Ley de Stefan-Boltzmann
La Ley de Stefan-Boltzmann indica la cantidad de energía por unidad de área emitida por un cuerpo negro, independientemente de la dirección. E = σ T4, donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67051 x 10-8 Wm-2 K-4).
Ley del Desplazamiento de Wien
La Ley del Desplazamiento de Wien establece la relación: λMAX T = 2897.9 μm K. La distribución espectral de la radiación de un cuerpo negro depende de la temperatura. A mayor temperatura, mayor energía y longitudes de onda más cortas.
Factores que Afectan la Radiación Solar
- Forma de la Tierra: Latitud (Variación Latitudinal)
- Traslación alrededor del Sol: Declinación del Sol (Variación Estacional o Anual)
- Rotación del Eje de la Tierra: Ángulo Horario (Variación Diaria u Horaria)
Intensidad de la Radiación en Función de la Altura del Sol (h)
Ih = I0 sen h
Distribución Diaria de la Radiación Solar
La radiación solar varía diariamente en longitud del periodo diurno y alcanza su máximo al mediodía.
Efectos de la Atmósfera sobre la Radiación Solar
La atmósfera causa pérdidas de energía durante la travesía de la radiación solar debido a:
- Reflexión y Absorción:
- Ozono: Absorbe radiación ultravioleta (UV) menor a 0.29 μm.
- Vapor de Agua: Absorbe radiación infrarroja (IR).
- CO2: Absorbe radiación infrarroja (IR).
- Nubes: Absorben y reflejan entre el 30-60% de la radiación.