[RH-242]
Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga UNSCH
Facultad Facultad de Ciencias Ciencias Agrarias Agrarias Escuela Profesional de Ingeniería Agrícola
Estudio de la radiación solar y balance de radiación Meteorología y Climatología
Bedriñana Tenorio Eliseo
Supervisor: Ing. Meneses Rojas Ruben Grupo de práctica: Lunes 2-4pm Fecha de práctica: 18/12/17 Fecha de entrega: 25/12/17 Diciembre 2017
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ii
Índice general Introducción
1
Objetivos Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1 MARCO TEÓRICO
3
1.1 Espectro Espectro electromagn electromagnético ético . . . . . . 1.2 Leyes Leyes de radiación radiación . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Ley de Planck . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Ley de Stefan-Boltzman Stefan-Boltzmann n . .. . 1.2.3 Ley de Wien . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Ley de Kirchoff Kirchoff . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Energía y espectro solar . . . . .
3 4 4 5 6 6 6
2 MATERIA MATERIALES LES Y PROCEDIMIENTOS
15
2.1 Materiales Materiales y equipos . . . . . . . . . . 15 2.2 Procedimien Procedimientos tos . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Estudio de la radiación solar en el tope de la atmósfera ( Qs ) . . . . 15 2.2.2 Análisis de la Radiación Solar incidente ( Q + q )i . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.3 Diferencia entre radiación en el tope de la atmósfera (Q (QS ) y la radiación solar ( Q + Q)i . . . . . . . . 19 2.2.4 Estimación del balance de radiación o radiación neta (R ( Rn ) . . 21 Conclusión Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
A Cuestionar Cuestionario io
25
A.1 Explique los factores que determinan la variación de la radiación solar en el tope de la atmósfera (Q (Qs ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 A.2 Explique las causas para la variación anual de la radiación solar en cuanto a distribución y magnitud en diferentes diferentes localidades del Perú. . 25 A.3 Como se explica las diferencias de magnitudes entre la radiación en el tope de la atmósfera y la radiación solar en la superficie terrestre. . . . . 25
A.4 ¿Dónde la radiación solar es mayor, en Ayacuch yacuchoo o Lima? Explique. Explique. . . . 26 A.5 Discuta la relación existente entre la radiación solar y las horas de sol. 26
B Bibliografí Bibliografíaa
27
iii
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Figuras 1.1 Espectro electromagnético. . . . . . . 1.2 Variación de la intensidad de radiación con la temperatura y longitud de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Variación de la intensidad de radiación con la temperatura y longitud de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Distribución promedio de la radiación en condiciones de cielo (a) despejado y (b) nublado.. . . . . . . . . 1.5 Espectro de absorción de la Radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tablas
3
1.1 Longitud de Onda de UV, V, IR . 4 1.2 Longitud de onda del rango visible 4 1.3 Unidades de longitud de onda . . . 4 1.4 The files of the class ctuthesis. . . 7 1.5 Unidades de longitud de onda . . 10 1.6 Valores característicos de albedo superficial (α) y emisividad (ε) . . . 11 1.7 Espectros de absorción . . . . . . . . 12
5
8
2.1 Valores de radiación solar en el tope de la atmósfera (Qs), expresado como mm de agua evaporableHemisferio Sur . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Radiación solar ( Q + q )i horaria (w/m2 ). Estación: La Molina . . . . . 16 2.3 Valores máximos y mínimos de la radiación solar horaria . . . . . . . . . . . 17 2.4 Promedios de radiación solar (Q+q)i en ly/día para diferentes estaciones del Perú . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5 Valores de radiación solar diaria (Ly/día) y horas de sol . . . . . . . . . . 19 2.6 Radiación solar (ly/día) recibida en superficie. Estación Huayao. . . . 21 2.7 Datos meteorológicos para el cálculo del Balance de Radiación (RN). Estación Huayao Albedo (α)=20 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.8 Declinación solar promedio mensual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.9 Balance de radiación (RN) . . . . . 23
10 12
2.1 Meteorograma de la radiación solar en el tope de la atmosfera (Qs)vs tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Meteorograma radiación vs horas 2.3 Meteorograma de la Variación mensual de la radiación solar en 5 estaciones meteorológicas. . . . . . . . . 2.4 Meteorograma de la radiación (Q+q)i vs tiempo (días) . . . . . . . . . 2.5 Meteorograma de horas de sol vs tiempo (días). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Meteorograma de la radiación vs tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Meteorograma de la radiación Rnoc, Rnol, Rn Vs Meses . . . . . . . A.1 Ubicación geográfica de Lima Ayacucho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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16 17
18 20 20 21 23 26
iv
Introducción En este capítulo se podrá apreciar la variación de la radiación solar incidente en el tope de la atmósfera (Qs), atreves de y la radiación solar en la superficie
terrestre (Q+q). Esto se llevara a cabo estudiando las radiaciones horarias, diurnas y mensuales. También estudiando las magnitudes y el recorrido de las ondas cortas y las ondas largas, se entenderá también sobre la absorción de las radiaciones por la humedad, neblina y nubes, Así mismo entenderemos las relaciones de las radiaciones solares según las latitudes y podremos encontrar la radiación neta
(Rn) según los meses y así poder entender por qué hay meses con radiaciones con menores proporciones.
.. ..
Objetivos
Al finalizar la práctica los alumnos estarán en la capacidad de:
Conocer la distribución latitudinal - temporal de la radiación solar incidente en el tope de la atmósfera ( Qs )
1.
2.
3.
Analizar la distribución temporal de la radiación solar directa y difusa incidente para algunas estaciones del Perú.
Encontrar relaciones entre la radiación global (directa y difusa) con las horas
de sol (M) en estaciones de la costa, sierra y selva.
4.
Calcular el balance de radiación para la superficie terrestre.
1
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2
Capítulo 1 MARCO TEÓRICO Radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos 6,000 K . La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas ◦
por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el ozono. La magnitud que
mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m 2 (vatio por metro cuadrado).1
1.1 Espectro electromagnético El espectro electromagnético es un conjunto de ondas irradiadas por el sol, que van desde las ondas con mayor longitud como las ondas de radio, hasta los que tienen menor longitud como los rayos Gamma. Entre estos dos límites están: las
ondas de radio, las microondas, los infrarrojos, la luz visible, la luz ultravioleta y los rayos X. Es importante anotar que las ondas con mayor longitud de onda tienen menor
frecuencia y viceversa. Las características propias de cada tipo de onda no solo es su longitud de onda, sino también su frecuencia y energía. En la siguiente tabla se muestra como se divide el espectro electromagnético: (empezando de con la que tiene mayor longitud de onda).
Figura 1.1: Espectro electromagnético. 1
Radiación solar. (2017, 30 de noviembre). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 01:47, diciembre 13, 2017 desde https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Radiaci%C3% B3n_solar&oldid=103809352.
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1. MARCO TEÓRICO
.......................................
Espectro solar
λ (µ)
Cantidad ( %)
Ultravioleta Visible Infrarojo
<0.4 0.4-0.74 >0.74
9 45 46
Cuadro 1.1: Longitud de Onda de UV, V, IR
Rango Visible
λ (µ)
Violeta Azul Verde Amarillo Naranja Rojo
0.38-0.43 0.44-0.49 0.50-0.56 0.57-0.59 0.60-0.63 0.64-0.76
Cuadro 1.2: Longitud de onda del rango visible
Unidades (λ)
Equivalencia (cm)
micra ( µ) milimicra ( mµ) Angstroms (A)
1x10 1x10 1x1
Equivalencia (m)
1x10 1x10 1x10
−4 −7
−8
−6 −9
−10
Cuadro 1.3: Unidades de longitud de onda
1.2 Leyes de radiación 1.2.1 Ley de Planck Todo proceso de radiación está resumido en esta ley, la misma que expresa que la intensidad de emisión de energía es función de la longitud de onda y temperatura del cuerpo y cuya expresión es: E λ = En cal/cm2 .min.µ C 1 = 5, 362 × 105cal.µ4/cm2.min C 2 = 1, 4385 × 104µK
C 1 λ 5 c2 e λT − 1 −
(1.1)
Según esta ley un cuerpo emite energía en diversas longitudes de onda. También emite en diversas intensidades dependiendo de su temperatura tal como de muestra en la Figura 11. Se observa que conforme aumenta la temperatura, la máxima intensidad de emisión se desplaza hacia longitudes de onda más cortas.
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.......................................
1.2. Leyes de radiación
Figura 1.2: Variación de la intensidad de radiación con la temperatura y longitud de onda.
1.2.2 Ley de Stefan-Boltzmann Sugirió que la emitancia de una superficie, I, es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética por el hecho de estar a una temperatura distinta de cero. I = εσT 4
(1.2)
Donde:
σ eslaconstantedeStefan − Boltzmann
= = = = =
5, 6710 5 erg/cm2 .s.K 4 5, 6710 8 W/m2 .K 4 8, 13210 11 ly/min.K 4 1, 17110 7 ly/día.K 4 1, 96210 9 mm/día.K 4 −
−
−
−
−
Emisividad (ε): Es la relación de la cantidad de energía emitida por una
superficie dada a una longitud de onda específica y temperatura [E (λ, T )] entre la energía emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y longitud de onda. ε = E (λ, T )/E (λ, T )n
(1.3)
Observamos que ε = 1, para cuerpos negros, más para cuerpos opacos es menor
que uno y para aquellas superficies en procesos de pérdidas de energía su valor se aproxima a 0.9. Cuerpo negro: Con esta definición un cuerpo negro es aquel que absorbe toda
la radiación que le llega a todas las longitudes de onda y la radiación que él emite es sólo función de la temperatura y de la frecuencia de la onda. El nombre de cuerpo negro obedece al hecho de que es un cuerpo que absorbe perfectamente toda la radiación que incide sobre él. Sin embargo, fue Kirchhoff
quien sostuvo que un cuerpo que absorbe perfectamente energía electromagnética es un cuerpo que también puede emitir energía electromagnética. 5
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1. MARCO TEÓRICO
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Obviamente no existe ningún objeto con tales características, es decir, es una idealización como lo es un gas ideal. Sin embargo sí existen cuerpos que se aproximan a la definición del cuerpo negro como la lámpara incandescente.
1.2.3 Ley de Wien La ley del desplazamiento de Wien afirma que el máximo de la intensidad de la radiación térmica emitida por un cuerpo negro ideal se desplaza, con el aumento de la temperatura, hacia la región de longitudes de onda más corta. La ley de Wien dice: . producto de la temperatura absoluta de un cuerpo negro por la longitud de onda (λm) para la cual la radiación emitida es máxima, es igual a una constante". Tenemos: El
1
C T T C = 0,2898cm.K λm α
◦
=
(1.4)
Para T = 6000 K, λ = 4,83 x 10 cm = 0,483 µ Para T = 300 K, λ = 9,66 x 10 cm = 9,66 µ Equivalencia: 1 µ = 10 − 4cm = 1micr ón ◦
m
m
-5
-4
1.2.4 Ley de Kirchoff Establece que la absortividad de un cuerpo o material para la radiación a una longitud de onda (λ) específica es igual a su emisividad a la misma longitud de onda: a(λ) = ε (λ)
(1.5)
Absortividad (a): Está definida como la relación de cantidad de energía
radiante absorbida (Ia) entre la cantidad total de energía incidente (Ii) sobre la superficie.
.
a = Ia/Ii
(1.6)
1.2.5 Energía y espectro solar
1. El sol
Es la estrella más cercana a la Tierra y el mayor elemento del Sistema Solar. Las estrellas son los únicos cuerpos del Universo que emiten luz. El Sol es también nuestra principal fuente de energía, que se manifiesta en forma de luz y calor.
El Sol contiene más del 99 % de toda la materia del Sistema Solar. Ejerce una fuerte atracción gravitatoria sobre los planetas y los hace girar a su alrededor. El Sol se formó hace 4,650 millones de años y tiene combustible para 5,000 millones más. Después, comenzará a hacerse más y más grande, hasta convertirse en una gigante roja. Finalmente, se hundirá por su propio peso y se convertirá en una enana blanca, que puede tardar un trillón de años en enfriarse.
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.......................................
1.2. Leyes de radiación
Datos Básicos
El sol
La tierra
Radio ecuatorial
695,000 km
6,378 km
Período de rotación sobre el eje
de 25 a 36 días
23,93 horas
Masa comparada con la tierra
332.83
1
Temperatura superficial promedio
6, 000 C 274m/s2
15 C 9, 8m/s2
◦
Gravedad superficial
◦
Cuadro 1.4: Comparativo entre el sol y la tierra El Sol y todo el Sistema Solar gira alrededor del centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia. Da una vuelta cada 200 millones de años. Ahora se mueve hacia la constelación de Hércules a 19 Km/s.
Actualmente el Sol se estudia desde satélites, como el Observatorio Heliosférico y Solar (SOHO), dotados de instrumentos que permiten apreciar aspectos que, hasta ahora, no se habían podido estudiar. Además de la observación con telescopios convencionales, se utilizan: el coronógrafo, que analiza la corona solar, el telescopio ultravioleta extremo, capaz de detectar el campo magnético, y los radiotelescopios, que detectan diversos tipos de radiación que resultan imperceptibles para el ojo humano. El sol es una esfera incandescente cuya emisión total está dada por: I sol = T S 4 Asol
(1.7)
Reemplazando estos valores: σ = 8, 132 × 10
−11
ly/min.K 4
T = 6000 K ◦
Dsol = Di ámetropromediodelsol = 139, 100km = 1, 391 × 1011cm
.
I sol = 8, 132x10
−11
ly/min.K 4 x(6000 K )4 × 4π (rsol )2 = 56 x1026cal/min ◦
Por lo tanto, el sol emite cada minuto 56 × 1026cal, de las cuales el 99% está comprendida en el llamado “longitud de onda corta” (entre0,15µy4µ)
2. Constante solar (S) Es definido como el flujo promedio de radiación en el límite exterior (tope)
de la atmósfera de la tierra, por unidad de área perpendicular a la dirección de los rayos solares. Constante solar (s)
Cantidaddeenerg íaqueemiteelsolI sol = 56x1026 cal/min Distanciapromedioentreelsolylatierra (d) = 15x1012 cm
Áreadeunaesfera = ÁreaB = 4πr 2 = 4 πd2
I sol ly 56 × 1026 cal/min cal/min S = = = =2 = 1395watts/m2 12 2 2 2 4π(15 × 10 ) cm AreaB cm min 7
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.
1. MARCO TEÓRICO
.......................................
3. Energía promedio total en el tope de la atmósfera Es la energía que recibe en el tope de la atmósfera (sección circular) cuyo valor está dado por: Q S = Srt2 π
(1.8)
dt = 1, 28x109 cm
= 2, 6x1018 cal/min = 3, 68x1021 cal/día = 1, 34x1024 cal/año Esta energía total se redistribuye en toda el área de la tierra (esfera), es decir en la unidad de área se recibirá: Q S = Srt2 π/ 4πrt2 = S/ 4 = 0, 5ly/min = 720ly/día = 263kly/año
.
Figura 1.3: Variación de la intensidad de radiación con la temperatura y longitud de onda.
4. Radiación solar disponible en el tope de la atmósfera
Se le conoce también como radiación extraterrestre, es de uso muy generalizado para estimar la radiación incidente sobre la superficie terrestre, sobre todo en lugares donde no se dispone de instrumental de radiación. La radiación solar incidente en el tope de la atmósfera (Qs) es función de la distancia media entre el sol y la tierra, la latitud, el ángulo horario y la declinación del sol, los que se relacionan mediante la siguiente expresión:
Q S =
1440
d S ( )2 cos φ cos δ (sin H − H cos H ) π d
en ly/día
Equivalencia: 1 mm = 59,7 ly code 110151
8
(1.9)
.......................................
1.2. Leyes de radiación
Donde:
S : ConstanteSolar : 2ly/min = 1395W/m2 φ : Latitud( ) ◦
∂ : Declinaciónsolar ( ) ◦
∗
H
: Angulohorariodelasalidadelsol (radianes) : Angulohorariodelasalidadelsol ( ) ◦
. . .
H = arccos(− tg φ tg δ )
(1.10)
−23, 45cos( 360 nd) 365
(1.11)
δ =
Con nd = 0 = 365 el 22 de diciembre
5. Foroperiodo (N)
Según el recorrido aparente del sol, en sus movimientos de rotación y traslación, los rayos del sol se proyectan hacia la tierra formando diferentes ángulos con la superficie de acuerdo a la latitud del lugar. Como consecuencia de ésta
incidencia la duración del día o la duración de horas de sol máxima en cada latitud es diferente y es lo que se denomina fotoperíodo y está en función de la latitud (φ) y del movimiento aparente del sol llamado declinación (∂ ). N = 2 H/15(horas)
(1.12)
6. relación entre la distancia instantánea y promedio entre el sol y la
tierra.
( dd )2 =Relación entre la distancia media e instantánea entre Sol - Tierra d d d ( )25J ul˘3Ene = 0, 9674 + 0, 067x(n2 /182) d
( )23Ene˘5J ul = 1, 0334˘0, 067x(n1 /183)
n1 = 0el 3 de enero;n2 = 0el 5 de julio
7. Efectos de la atmósfera en la radiación Cuando la radiación (Qs ) penetra en la atmósfera experimenta los procesos de reflexión (Q + q )r , dispersión (Qd) y absorción (Qa ). La parte que atraviesa la
atmósfera e incide en la superficie terrestre se llama radiación directa (Q), y la radiación reflejada y dispersada que llega a la superficie siguiendo diferentes direcciones, se denomina radiación difusa (q). Estos procesos se llevan a cabo debido a la presencia de nubes, vapor de agua y los constituyentes constantes del aire seco. En la alta atmósfera se absorbe gran parte del
espectro ultravioleta, y el espectro infrarrojo en la tropósfera baja, el espectro visible no es absorbido en la atmósfera sin nubes. 9
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1. MARCO TEÓRICO
....................................... Mes d(1013 ) ( dd )2 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
1.473 1.482 1.493 1.507 1.517 1.521 1.519 1.511 1.498 1.485 1.475 1.471
1.03 1.02 1.00 0.99 0.97 0.97 0.97 0.98 1.00 1.01 1.03 1.03
∂ -21.13 -13.03 -2.52 9.78 19.02 23.35 21.37 13.49 1.87 -9.91 -19.34 -23.37
Cuadro 1.5: Unidades de longitud de onda
. .
Figura 1.4: Distribución promedio de la radiación en condiciones de cielo (a) despejado
y (b) nublado.
8. radiación global ( q + q )i Llamada también radiación incidente, es la cantidad de radiación directa (Q) y difusa (q) que llega a la superficie terrestre. Se mide o cuantifica con
instrumentos denominados Piranómetros, cuyo sistema selecto de longitudes de onda sea una semiesfera.
9. Albedo (α)
Es el grado de reflectividad de la superficie de un cuerpo y se cuantifica como la relación de la radiación reflejada p or l a superficie (Q + q ) r y la radiación incidente sobre dicha superficie (Q + q )i: α =
(Q + q )r (Q + q )i
× 100
(1.13)
Este parámetro de la superficie puede alterarse cambiando la cantidad de la radiación reflejada, la cual puede conseguirse cambiando el color de la code 110151
10
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1.2. Leyes de radiación
superficie en consideración. Esto nos indica que uno de los factores que modifica el albedo es el color de los cuerpos y el otro factor es el ángulo de incidencia de la radiación global.
Superficie
Albedo
Emisividad
Superficie
Albedo
Emisividad
Agua Alfalfa Aldogonero Arena seca Arena lmariala Bosque de pino Bosque de roble Barbecho Caña dr azúcae Cebada
0.05-0.11 0.16-0.25 0.16-0.25 0.18-0.30 0.25-0.35 0.05-0.12 0.10-0.18 0.08-0.10 0.05-0.18 0.2
0.96 0.96 Papas Pasto freocs 0.95 0.90
0.75-0.90 0.45
0.97
Cítricos Carretears Coníferas Dunas Espejo Espinaca Granos Hierba vrede aierbH seca Hierba mojada Huerda te naranjas Maíz Nieve
0.17 0.08-0.17 0.12-0.16 0.20-0.40 0.88 0.24-0.28 0.15-0.25 0.15-0.20 0.19-0.32 0.20-0.35
0.93 0.93 0.90
Nieie lvmpia Niece suvia 0.15-.27 0.25 Pesto saco Pedregal Piña Pintura de cal Prrdera natuaal Pradera de alfa Pdarera de gramíneas Remolacha Ríos Salinas Suelo oscuro Suelo húmedo Suelo claor Selva conífera Tinto negre Tinte blacno
0.15-0.27 0.15-0.27 0.06-0.11 0.42 0.05-0.11 0.1 0.20-0.43 0.05-0.15 0.04 0.85
Trigo Vegetal desértic Zonas urbanas
0.15-0.25 0.37 0.16-0.45
.
0.17 0.12-0.24 0.85-0.90
0.97
0.95 0.15-0.30 0.10-0.20 0.05-0.08 0.83 0.15 0.16-0.27
0.95 0.90 0.97 0.97
0.90 0.97 0.90 0.92 0.92
Cuadro 1.6: Valores característicos de albedo superficial (α) y emisividad (ε)
10. Radiación neta en onda corta (Rnoc )
.
Rnoc = Q a = (Q + q )i − (Q + q )r = m s C s ∆T = m i C i ∆T
(1.14)
x )(1 − α) N
(1.15)
Rnoc = Q a = (Q + q )i (1 − α) = Q s (a − b
Donde α = albedo de la superficie en consideración
11. Radiación termal. Se llama así a la radiación que emite la superficie de la tierra y está comprendida en mayor proporción entre 4 a 50µ de longitud de onda, o sea en el 11
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1. MARCO TEÓRICO
.......................................
llamado longitud de onda larga. I t = εσT s4
(1.16)
Donde:
.
ε = eslaemisividaddelasuperficie = 0,9 σ = ConstantedeStefan = 1, 96x10 − 9mm/día.K 4 = 8 , 132x10 − 11ly/min.K 4
T s = eslatemperaturadelasuperficieterrestre
12. Espectro de absorción. De toda la energía que la superficie terrestre emite, aproximadamente el 90absorbido por el vapor de agua, ozono, C O2 y las nubes.
Absorbente
Espectro (µ )
O3 CO2 H 2 O Nubes
9,5 − 9,8 13,1 − 16,9, 2,4 − 4,6 4,0 − 7,7y > 20, 2,3 − 3,6, 1,6 − 1,9, 0,7 − 1,2 Toda la radiación infrarroja
Cuadro 1.7: Espectros de absorción
Por otro lado los campos de cultivo con intensos procesos de evapotranspiración serán completamente diferentes a áreas o campos de cultivos en la etapa de maduración, de manera que similar a la concentración del CO2 tendrá
una variación dependiendo del estado hídrico y estado fenológico del cultivo. Durante el día la concentración será mayor en cultivos con deficiencia de agua y fases fenológicas finales y viceversa.
.
Figura 1.5: Espectro de absorción de la Radiación.
13. Contrarradiacion (I i ). Es la radiación emitida por la atmósfera y que incide sobre la superficie
terrestre. Su magnitud depende de la cantidad de radiación absorbida, tanto en onda corta como en onda larga por parte de la atmósfera. I i = ε a σT A4
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12
(1.17)
. .
.......................................
1.2. Leyes de radiación
14. Radiación neta en onda larga (Rnol ) Es la cantidad de energía radiante en onda larga que una superficie posee como resultado de la energía que recibe y pierde. Rnol = I i − I t
(1.18)
Rnol = Contrarradiación —- Radiación termal
En la mayoría de los casos Rnol < 0 Rnol puede cuantificarse con ecuaciones empíricas como:
15. Balance de radiación o radiación neta (RN).
Es el proceso a través del cual se cuantifica la disponibilidad de energía en la superficie o sistema en consideración.2 RN = R noc + Rnol = RN > 0
2
RN = 0
RN < 0
Del Águila Ríos, Sandra,2015 Guía de estudio de meteorología y climatología 16-30pg.
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Capítulo 2 MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS 2.1 Materiales y equipos Datos mensuales latitudinales de radiación solar en el tope de la atmósfera (Qs)
. . . . .
para el hemisferio sur (HS).
Datos horarios de radiación solar incidente (Q + q)i, para la estación de La Molina-Lima.
Datos promedios mensuales de radiación solar incidente (Q + q)i, en las estaciones de: La Católica, Huayao, Huaraz, Lambayeque y Yurimaguas.
Datos promedios mensuales — multianuales de radiación solar incidente para la estación de Huayao y La Molina.
Datos promedios mensuales de Temperatura, radiación incidente, presión de vapor y horas de sol para las estaciones de La Molina y Huayao. Computadora personal.
2.2 Procedimientos
. .
2.2.1 Estudio de la radiación solar en el tope de la atmósfera (Qs )
Haciendo uso de la tabla 2.1 , realizar un gráfico de Qs (eje Y) versus el tiempo en meses (eje X), para las siguientes latitudes: 0 0 , 120 S, 300 S, 500 Sy 700 S . Analice y explique las causas del comportamiento de Qs a diferentes latitudes
Lat
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
0 12 30 50 70
14.57 16.17 17.45 17.31
15.03 15.94 16.10 14.61 11.95
15.30 15.22 13.87 10.79 6.44
14.97 13.88 11.17 6.96 2.13
14.21 12.39 8.81 4.15 0.11
13.62 11.47 7.57 2.90
13.71 11.66 7.87 3.22
14.44 12.90 9.65 5.15 0.67
15.07 14.41 12.25 8.48 3.72
15.13 15.50 14.81 12.42 8.71
14.70 15.96 16.67 15.85 14.16
14.37 16.10 17.61 17.79
Cuadro 2.1: Valores de radiación solar en el tope de la atmósfera (Qs), expresado como mm de agua evaporable- Hemisferio Sur
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...............................
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS
Figura 2.1: Meteorograma de la radiación solar en el tope de la atmosfera (Qs)vs tiempo
En el meteorograma adjunto se puede visualizar que la radiación solar en el tope de la atmosfera es mayor en la latitud de 0 circ y menor a la latitud de 70 circ ,
lo cual al analizarlos juntos a los datos de las otras latitudes dadas ,llegamos a la conclusión de que mientras más cerca se esté al el ecuador los valores de radiación solar en el tope de la atmosfera son mayores , ya que en el ecuador las radiaciones son verticales y hacen un recorrido mínimo por lo tanto llega mayor radiación.
2.2.2 Análisis de la Radiación Solar incidente (Q + q )i
.
Variación horaria de la radiación solar (Q + q )i Con los datos de la tabla 2.2, elabore un meteorograma de (Q+q)i en el eje Y versus tiempo en horas en el eje X. Represente en el mismo gráfico la variación horaria de la radiación incidente para un día despejado y para un día nublado.
Horas Día despj. Día nubld.
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
39.5
214.8
480.9
788.9
1047.0
1243.0
1323.0
1290.0
1138.0
876.7
583.1
272.5
24.0
173.1
629.9
584.1
1043.0
1060.0
1116.0
1273.0
1139.0
860.2
576.2
261.7
Cuadro 2.2: Radiación solar ( Q + q )i horaria ( w/m2 ). Estación: La Molina En el meteorograma adjunto de la tabla 2.2 podemos ver que la radiación
solar (Q+q) entre los meses enero y julio ,las radiaciones solares horarias en el mes de julio son menores en comparación al mes de enero , teniendo así el máximo valor de radiación para el mes de enero a las 13 horas con el valor de 697,3 y el mes julio el máximo valor se da las 14 horas con el valor de 474,5 , así podemos concluir también que en enero un mes de verano las radiaciones son mayores y también hay mayores radiaciones perpendiculares a diferencia del mes de julio que es un mes de invierno donde al ver humedad la radiación solar es absorbida por esta.
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........................................
. .
2.2. Procedimientos
Figura 2.2: Meteorograma radiación vs horas Analice los factores que determinan esta variación horaria de la radiación. Llenar la tabla 2.3:
Estación:
Despejado (Q+q)imáx. = Hora:
Estación Meteorológica Automática INIA
(Q+q)imin = Hora:
Nublado (Q+q)imáx. = Hora:
(Q+i)qmin = Hora:
Cuadro 2.3: Valores máximos y mínimos de la radiación solar horaria
. .
Variación mensual de la Radiación solar ((Q + q )i ) Considerando la tabla 2.4, construya un gráfico de (Q + q )i en el eje Y versus tiempo en meses en el eje X, de tal forma que las 5 localidades estén representados en un mismo gráfico.
Analice a variación de las mismas teniendo en cuenta la ubicación geográfica de las 5 estaciones (seguidamente discuta sus resultados)
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...............................
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS
Figura 2.3: Meteorograma de la Variación mensual de la radiación solar en 5 estaciones meteorológicas.
Meses
La Católica
Huayao
Huaraz
Lambayeque Yurimaguas
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
432 487 455 401 198 137 139 134 197 209 405 402
603 563 521 538 523 525 533 583 591 637 804 705
518 469 461 469 436 440 432 509 504 637 529 522
502 520 498 449 414 376 333 374 436 495 483 470
327 357 355 332 340 320 371 407 416 397 408 387
Latitud Longitud Altura
12o 04‘ S 77o 04‘ W 70 msnm
12o 02‘ S 75o 19‘ W 3313 msnm
09o 31‘ S 77o 01‘ W 3091 msnm
06o 42‘ S 79o 55‘ W 18 msnm
05o 45‘ S 76o 05‘ W 179 msnm
Cuadro 2.4: Promedios de radiación solar (Q+q)i en ly/día para diferentes estaciones del Perú
Una comprensión más amplia de la incidencia de la radiación solar sobre la superficie terrestre implica considerar las variaciones en su intensidad debidas a la ubicación geográfica, la fecha y el momento del día. Incluso,
desde un punto de vista arquitectónico, resulta importante comprender cómo la intensidad de la radiación solar sobre un plano (una cubierta, por ejemplo) dependerá en gran medida del ángulo entre dicho plano y la dirección de los rayos solares. En nuestra gráfica se observa una menor radiación incidente en la estación de La Católica a diferencia de los demás que presenta una mayor radiación en función de su latitud, esto podría deberse a factores climatológicos, la
alta humedad (sobre todo a partir de mayo; otoño, invierno), alta nubosidad, code 110151
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........................................
2.2. Procedimientos
mayor contaminación, baja altitud con respecto al mar en La Católica a
comparación de las demás; esto disminuye la radiación incidente global en la superficie.
2.2.3 Diferencia entre radiación en el tope de la atmósfera (QS ) y la radiación solar (Q + Q)i
.
Construya otro meteorograma de radiación vs tiempo (meses), pero esta vez ◦
considerando la radiación en el tope de la atmósfera ( Qs ) para 12 S y la radiación incidente (Q + q )i para la estación de La Católica. Explicar las
posibles causas de esta diferencia. (Considere que 1 mm de agua evaporable = 59.7 ly)
. .
Variación Diaria de la Radiación Solar
Con los datos de la tabla 2.5, construya un gráfico de (Q+q)i vs tiempo (días). En el mismo gráfico también incluya un gráfico de horas de sol vs tiempo (días). Para esto considere un eje secundario a la escala de las horas de sol. Analice la relación que existe entre la radiación incidente y las horas de sol.
Día 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
.
HS (horas) (Q + q )i Ly/día Día HS (horas) (Q + q )i Ly/día 12.1 3.8 5.0 5.8 6.8 0.7 9.0 8.0 2.9 4.0 2.2 0.0 3.8 5.9 7.4
529.1 153.9 211.6 307.8 384.8 250.1 269.3 346.3 259.7 298.2 230.9 192.4 298.2 348.3 375.2
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
0.2 2.4 5.4 4.7 8.9 1.7 9.2 5.0 6.4 1.6 7.2 2.4 3.1 0.4 0.3 1.5
153.9 259.7 317.4 404.0 461.7 240.5 346.3 327.1 365.5 221.2 307.8 221.2 317.4 240.5 240.5 250.1
Cuadro 2.5: Valores de radiación solar diaria (Ly/día) y horas de sol
Determine una ecuación de regresión con la cual se puede estimar la radiación solar incidente ( Q + q )i en función de las horas de sol (M).
(Q + q )i = a + bM Ecuacióny =
(2.1)
−1,5579x + 94,321
R2 = 0,0017 Comentario =
Variación Multianual de la Radiación Solar 19
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...............................
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS
Figura 2.4: Meteorograma de la radiación (Q+q)i vs tiempo (días)
. .
Figura 2.5: Meteorograma de horas de sol vs tiempo (días). Con los datos presentados en la tabla 2.6, construir un gráfico de radiación solar (Q+q)i vs tiempo (años). Para este caso se pueden tomar la escala de tiempo en años, para lo cual se tomará los datos de un mes específico o también se puede tomar la escala del tiempo en meses-años, que en ese
caso los datos de radiación serán tomados todos los existentes en la tabla en mención. Explicar la tendencia de estas variaciones en el transcurso de los años.
En el gráfico al observar todos los datos por año nos damos cuenta que los valores de radiación solar son casi constante, o fluctúan con valores cercanos entre ellos, pero se observa que los meses de setiembre, octubre y noviembre, las radiaciones aumentan, por lo mismo que en esos meses se da la estaciones de primavera, hay menos humedad, las horas de sol van aumentando, hay escasas
lluvias, y de acuerdo a la latitud y la altura que se encuentra Huancayo hace que las radiaciones solares sean mayores , excepto en los años 1997, y 1980 donde se observa que en esos meses la radiación es menos que en los demás meses El code 110151
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........................................ AÑO Ene Feb 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982
586 597 623 563 529 500 561 585 602 540 609 621 575 577
579 597 570 626 565 531 552 538 495 620 431 583 574 563
Mar
Abr
May
576 582 540 493 530 594 545 577 586 587 448 558 559 551
571 508 554 567 524 514 568 567 591 527 514 599 600 550
532 525 559 506 534 552 496 526 532 569 500 451 522 521
2.2. Procedimientos
Jun Jul
Ago Sep Oct Nov Dic
494 494 625 499 482 466 475 476 498 498 514 555 548 508
610 590 664 556 534 661 573 536 510 514 398 458 473 549
563 505 648 502 498 502 454 507 487 500 469 515 572 517
635 592 686 583 580 631 571 554 549 518 480 352 532 567
647 662 553 597 586 561 688 691 565 555 541 435 515 607
580 646 563 587 591 561 658 702 434 550 525 350 515 616
Cuadro 2.6: Radiación solar (ly/día) recibida en superficie. Estación Huayao
Figura 2.6: Meteorograma de la radiación vs tiempo mes donde hay menor radiación por lo general es en junio, en ese mes Huancayo se encuentra en invierno, por lo que las radiaciones disminuyen, por las intensas lluvias y las neblinas que se dan.
En el mes de diciembre en 1980 se observa una menor radiación solar, menos que en los otros años, este puede haber pasado por presencia de algún fenómeno que
cambio el clima, ya sea por lluvias, mayor humedad, neblinas presencia de nubes. En 1973 se observó que la radiación solar tenía menos fluctuación, es decir que los valores de esta estaban cercanas, posiblemente en ese año el cambio de estaciones y de clima no fueron muy marcados.
2.2.4 Estimación del balance de radiación o radiación neta ( Rn ) El balance de radiación en la superficie terrestre conocida como la radiación neta (Rn) se refiere a la evaluación de entrada y salida de radiación en corta y en onda larga de dicha superficie. Se puede determinar mediante la siguiente 21
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590 600 623 596 503 561 570 641 564 506 535 106 515 574
...............................
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS ecuación:
Rn = Rnoc + Rnol
Donde: Rnoc = radiaciónnetaenondacorta Rnol = radiaciónnetaenondalarga Rnoc = (Q + q )i(1 − α)
Donde:
(Q + q )i = radiaciónincidente(mm/díaoly/día) α = albedodelasuperficie (endécimos) Rnol = I i − I t =
−σT (0,56 − 0,079 4
√
e)(0,1 + 0,9
M ) N
Donde: I i = Contrarradiación I t = Radiacióntermal σ = ConstantedeStefan = 1, 17x10 − 7ly/día.K 4 = 1 , 9615x10 − 9mm/día.K 4
T = Temperaturadelaire(K )
ea = Presióndevaporactual (hP a) M = horasdesol(horas) N = Fotoper íodo(horas)
N =
2arccos(− tg φ. tg δ ) 15
Donde: φ = latituddellugar
. . . .
δ = declinaciónsolar Haciendo uso la tabla 2.8, determine el fotoperiodo para cada mes.
Con los resultados del paso anterior y usando los datos de las tabla 2.7 cuantifique el balance de radiación (Rn). Llene el cuadro III.
Con los datos obtenido en el cuadro III grafique los términos del balance de radiación (Rnoc, Rnol y Rn) vs tiempo (meses)
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22
........................................ Mes (Q + q )i Ly/día Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
T( C ) e (hPa)
HS (horas)
585 538 576 562 526 476 506 536 562 691 702 641
2.2. Procedimientos
◦
5.0 4.4 5.1 6.6 7.5 7.9 8.7 7.4 6.3 8.2 8.1 6.0
10.9 10.6 11.0 10.1 10.1 9.2 8.7 10.3 11.2 12.5 12.2 11.7
9.8 9.9 10.1 8.4 7.9 7.2 6.6 7.3 7.8 7.8 8.1 9.0
Cuadro 2.7: Datos meteorológicos para el cálculo del Balance de Radiación (RN). Estación Huayao Albedo (α)=20%
AÑO
Ene
Feb
Declinación ( )
-21.13
-13.03
◦
Mar Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
-2.52
19.02
23.35
21.37
13.49
1.87
-9.91 -19.34
9.78
Cuadro 2.8: Declinación solar promedio mensual Meses Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
◦
( ) -21.13 -13.03 -2.52 9.78 19.02 23.35 21.37 13.49 1.87 -9.91 -19.34 -23.34
N (horas)
(Q+q) (Ly/día)
M (horas)
585 538 576 562 526 476 506 536 562 691 702 641
5.0 4.4 5.1 6.6 7.5 7.9 8.7 7.4 6.3 8.2 8.1 6.0
T ◦C
(
)
10.9 10.6 11.0 10.1 10.1 9.2 8.7 10.3 11.2 12.5 12.2 11.7
ea (hPa)
Rnoc (Ly/día)
Rnol (Ly/día)
9.8 9.9 10.1 8.4 7.9 7.2 6.6 7.3 7.8 7.8 8.1 9.06
Cuadro 2.9: Balance de radiación (RN)
Figura 2.7: Meteorograma de la radiación Rnoc, Rnol, Rn Vs Meses
23
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Rn (Ly/día)
...............................
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS
. . .
Conclusión La variación de la radiación está en función de muchos factores, siendo estos,
la latitud, altitud, y clima.
El registro de horas de sol ayuda indirectamente a la cuantificación de la radiación solar.
Mediante el procedimiento de estimación del balance de radiación se puede encontrar la variación estacional de la energía que requiere absorber la superficie para sus diversos fines.
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24
Apéndice A Cuestionario A.1 Explique los factores que determinan la variación de la radiación solar en el tope de la atmósfera ( Qs) Los factores que determinan la variación de la radiación solar en el tope de la atmósfera son: S: constante solar flujo promedio de radiación en el límite exterior (tope) de la
atmósfera de la tierra, por unidad de área perpendicular a la dirección de los rayos del solares. δ : declinación solar φ : latitud H : Angulo de horario de salida del sol (radianes) H : Angulo horario de salida del sol ( ) H = arc cos(− tan φ × tan δ ) d ( )2 : relación entre la distancia media e instantánea entre sol — tierra. d ∗
◦
A.2 Explique las causas para la variación anual de la radiación solar en cuanto a distribución y magnitud en diferentes localidades del Perú. La sierra se encuentra a mayor altura y por lo tanto más cerca a la radiación
solar. Es por eso que en esos lugares los valores son mayores en comparación con lugares costeras.
A.3 Como se explica las diferencias de magnitudes entre la radiación en el tope de la atmósfera y la radiación solar en la superficie terrestre. La radiación solar en el tope de la atmósfera en su recorrido a través por los constituyentes atmosféricos, nubes y aerosoles, para luego recién llegar a la
superficie con una menor intensidad como radiación solar directa (Q) y radiación difusa (q) 25
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A. Cuestionario
..........................................
A.4 ¿Dónde la radiación solar es mayor, en Ayacucho o Lima? Explique.
Figura A.1: Ubicación geográfica de Lima Ayacucho De pendiendo de los factores de radiación, lima se encuentra mas cercano al
ecuador mientras que Ayacucho se encuentra a una mayor altitud por la cordillera de los andes aunque al principio es menos determinante Ayacucho por lo general presenta mayor radiación que Lima.
A.5 Discuta la relación existente entre la radiación solar y las horas de sol. Las horas de sol se denominan al periodo durante el día en el que la radiación solar incide sobre la superficie.
Por ello para calcular cualquier radiación solar se necesita el número de horas de sol Ejm:
(Q + q )i = Q s (a + b ×
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M ) N
26
