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RADIACION SOLAR Y TERRESTRE: Balance Energético de la Tierra

Balance Energético de la Tierra Todos los procesos vitales que se desarrollan sobre la superficie terrestre se hallan sustentados por la energía que irradia el sol. Los sistemas de circulación planetaria de la atmósfera y los océanos están gobernados por la energía solar. Los intercambios entre agua líquida y vapor de agua de un lugar a otro del globo dependen de esta singular fuente de energía. Es cierto que existen flujos de calor que ascienden a través de la corteza terrestre hasta alcanzar la superficie, pero la cantidad es insignificante si la comparamos con el total de energía que la tierra intercepta de los rayos solares. El flujo de energía del sol hacia la tierra y de ella hacia el exterior, es un sistema complejo. Incluye no sólo su transmisión, sino también su almacenaje y transporte. Ambas formas ocurrirán en los gases, líquidos y materia sólida que encontramos en la atmósfera, hidrosfera y litosfera respectivamente. Podemos simplificar el estudio de la totalidad de este sistema comenzando por examinar cada una de sus partes.

Balance Energético de la Tierra La energía solar es interceptada por nuestro esférico planeta por lo que el nivel de energía calorífica tenderá a crecer. Por otra parte, nuestro planeta irradia energía hacia el espacio, lo cual significa un proceso que tenderá a disminuir el nivel de energía calorífica. Las entradas y salidas de radiación ocurren simultáneamente

Balance Energético de la Tierra La región ecuatorial recibe, a través de la radiación solar, mucha más energía de la que puede radiar directamente al espacio. Al contrario, las regiones polares pierden mucha más energía de la que obtienen por radiación solar.

Balance Energético de la Tierra Por ello los mecanismos de transferencia de energía han de ser incluidos en el sistema energético. estos han de actuar para transportar el excedente energético desde las regiones donde hay abundancia hacia las que existen deficiencias. En nuestro planeta, los movimientos producidos por la atmósfera y los océanos actúan como mecanismos de transferencia de calor.

Balance Energético de la Tierra TRANSFERECIA DE CALOR Conducción: consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos. Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a B.

Balance Energético de la Tierra TRANSFERECIA DE CALOR Convección: en este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o líquido) en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas. La transmisión de calor por convección puede ser: 1. Forzada: a través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría. 2. Natural: el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.

Balance Energético de la Tierra TRANSFERECIA DE CALOR Radiación: es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación desde A hacía B.  Siempre habrá intercambio de energía mientras la temperatura sea superior a −273,16 °C (cero absoluto, no existe movimiento molecular)

Balance Energético de la Tierra Nuestro sol, una estrella de tamaño y temperatura medias si la comparamos con el conjunto de estrellas, tiene una temperatura en superficie de 6.000 °C. Este elevado valor producido por un gas incandescente que ocupa la extensión solar, emite radiación electromagnética la cual es emitida radialmente hacia el exterior con movimiento rectilíneo la radiación electromagnética puede ser tratada como una onda de transporte de energía. Estas ondas pueden imaginarse como las generadas por un barco que atraviesa una superficie perfectamente calmada. Son conocidas como ondas sinusoidales.

La longitud de onda es la distancia existente entre dos crestas, o valles, sucesivos. Las unidades métricas de distancia a , por ejemplo centímetros o metros, son siempre utilizadas. Sabemos que las ondas del espectro electromagnético viajan a la misma velocidad.  La cantidad de éstas, que pasan por un punto por unidad de tiempo (segundo), se conoce bajo el Frecuencia de onda. Ésta depende de la longitud de onda; las ondas largas tienen baja frecuencia, mientras que las cortas la tienen alta. La frecuencia se expresa en ciclos por segundo, la unidad de medida es el Hertz. Un Hertz consiste en una frecuencia de un ciclo por segundo; un mega Hertz es una frecuencia de un millón de ciclos por segundo.

La longitud de onda es la distancia existente entre dos crestas, o valles, sucesivos. Las unidades métricas de distancia a , por ejemplo centímetros o metros, son siempre utilizadas. Sabemos que las ondas del espectro electromagnético viajan a la misma velocidad.  La cantidad de éstas, que pasan por un punto por unidad de tiempo (segundo), se conoce bajo el Frecuencia de onda. Ésta depende de la longitud de onda; las ondas largas tienen baja frecuencia, mientras que las cortas la tienen alta. La frecuencia se expresa en ciclos por segundo, la unidad de medida es el Hertz. Un Hertz consiste en una frecuencia de un ciclo por segundo; un mega Hertz es una frecuencia de un millón de ciclos por segundo.

 ondas cortas, a la izquierda, a ondas largas, a la derecha. La escala utilizada es logarítmica (razón constante) . La frecuencia expresada en Hertz está tomada en base a potencias de 10; cada unidad está incrementada diez veces con respecto a la anterior y de derecha a izquierda.

Por ejemplo, una cantidad de 103 Megahertz, es mil Megahertz; 109 Megahertz, son mil millones de Megahertz.

 Para la parte visible del espectro se acostumbra a utilizar otra unidad de longitud, la micra.  Una micra equivale a 0,0001 cm (10-4 cm). La porción de luz visible del espectro comienza con el violeta de 0,4 micras. Los colores se matizan sucesivamente a través del azul, verde, amarillo, naranja y rojo finalizando el espectro visible con 0,7 micras.  El siguiente que aparece en el espectro es el infrarrojo con una longitud de onda que oscila entre los 0,7 hasta las 300 micras. Estos no son visibles pero pueden sentirse, a través de objetos calentados, como rayos caloríficos

 Cualquier objeto cuya temperatura este por encima del cero absoluto (—273 °C) emite radiación electromagnética. La energía total emitida por unidad de superficie aumenta con el incremento de su temperatura.

De este modo, 1 centímetro de superficie solar a una temperatura de varios miles de grados, emitirá muchísima más energía que un cm cuadrado de superficie del distante planeta Plutón, el cual tiene una temperatura cercana al cero absoluto. Y todavía más, el espectro de radiación que emite una superficie fría, difiere grandemente del de una superficie caldeada.  Para la primera, la mayor parte de energía emitida se realiza a través de longitudes de onda larga. Para la segunda, la mayor parte se concentra en longitudes de onda corta (visible, ultravioleta).

 Las curvas de energía ideales se reflejan, para ambos, también en la figura: el sol a la izquierda, y para la tierra, la derecha, y se ilustran mediante líneas en negro suavemente arqueadas. Éstas representan las gráficas para unos cuerpos ideales, perfectos emisores de energía. Son de nominados por los físicos: “cuerpos negros".  Un cuerpo negro no solo absorberá la energía que recibe, sino que también la radiará en relación directa mente dependiente con la temperatura de su superficie.

Insolación sobre la superficie terrestre Utilizaremos el término de insolación para referirnos con ella a la recepción de la energía solar de onda corta por una superficie expuesta a esta ultima. Para un lugar determinado sobre la superficie terrestre, la insolación que se recibe depende de dos factores: 1. El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. 2. El tiempo de exposición a los rayos. Ambos factores varían según la latitud y los cambios estacionales en la trayectoria del sol en el cielo.

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. La figura 4.5 muestra que la intensidad es mayor donde los rayos inciden más perpendicularmente, como ocurre durante el mediodía en cualquier paralelo situado entre los trópicos de Cáncer y de Capricornio. Si disminuyésemos el ángulo, la misma cantidad de calor se extendería sobre una mayor área. De este modo, en promedio, las regiones polares reciben menor cuantía de insolación durante el período anual.

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. Consideremos una situación hipotética en la cual el eje de la tierra sea perpendicular al plano de la eclíptica al tiempo que gira alrededor del sol, es decir, que las condiciones de equinoccio prevalecieran a lo largo del año. Bajo tales condiciones los polos no recibirían insolación, indiferentemente de la época del año, mientras que la zona ecuatorial la recibiría invariablemente con un máximo de insolación. Pero sabemos que el eje terrestre no es perpendicular al plano de su órbita.

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. Debido a la inclinación del eje terrestre el punto subsolar oscila anualmente sobre una extensión latitudinal, desde el Trópico de Cáncer (23° 30’ Lat. N) en invierno, hasta el Trópico de Capricornio (23° 30’ Lat. N) en verano. Este ciclo crea grandes diferencias latitudinales por lo que serefiere a la cantidad recibida.

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. Un segundo efecto de la inclinación axial es la producción de diferencias estacionales en cuanto a la insolación, para cualquier latitud. Estas variaciones se incrementan hacia los polos donde se alcanzan las posiciones más extremas (seis meses de día, seis meses de noche). Junto a la variación del ángulo de incidencia de los rayos solares, opera otro factor: la duración diaria de la luz. Durante la estación en la cual el sol recorre el cielo en lo más alto, el tiempo que permanece sobre el horizonte es consecuentemente mayor. Los dos factores trabajan conjunto

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. En el diagrama tridimensional (figura 4.7) se refleja cómo varía la insolación seguían la latitud y estación del año. La figura 4.8 muestra la gráfica de insolación en determinadas latitudes, desde el Ecuador al Polo Norte. (Estos diagramas muestran la cantidad de insolación en los limites exteriores de la atmósfera.) Observar que el Ecuador presenta dos períodos de máximo valor (correspondiendo a los equinoccios, cuando el sol se halla sobre él) y dos períodos mínimos (correspondiente a los solsticios, cuando el sol se encuentra más al norte o al sur del Ecuador)

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. En el Círculo Polar Ártico, a 66° 30’ lat. N, la insolación se reduce a nada en el solsticio de invierno, y subiendo hacia el Polo el período de no insolación deviene mayor. Todas las latitudes comprendidas entre los trópicos de Cáncer y el de Capricornio poseen dos máximos y dos mínimos, pero un máximo domina en mayor grado a medida que nos acercamos a uno o a otro. Desde la latitud 23° 30’ hasta los 66° 30’ lat N y S, hay un singular ciclo de insolación continuo, con máximo en un solsticio y mínimo en el otro.

Insolación sobre la superficie terrestre El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. El ángulo de incidencia de los rayos solares determina el flujo de energía que alcanza una unidad dada de superficie terrestre y ello condiciona el medio térmico donde se desarrollará la vida subyacente. Este concepto provee de una base para una división del globo en zonas según la latitud (figura 4.9). Estos límites zonales tan específicos, no deberían tomarse con absoluta rigidez, sino que debería considerarse como una terminología conveniente para identificar los distintos cinturones geográficos del mundo a lo largo de la obra.

Temperatura y Radiación El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. En el estudio del balance de radiación del se demuestra que la temperatura cambia como resultado de una perdida o ganancia de energía, por su absorción o emisión. Cuando una substancia absorbe energía su temperatura superficial aumenta. Este proceso representa la transformación de energía radiante a energía en forma de calor sensible, que es la propiedad física mensurable por termómetro. El calor puede entrar o salir de un cuerpo por dos mecanismos, por conducción, o bien en forma de calor latente a través de la evaporación.

Temperatura y Radiación El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. El calor y la temperatura son dos conceptos estrechamente relacionados entere sí, pero no idénticos:  El calor es tina forma de energía, la energía calorífica y, como tal, mide en unidades enérgicas. La temperatura no es una forma de energía y, aunque su definición precisa resulta muy compleja, se puede definir como la cualidad que determina la dirección del flujo calorífico entre dos cuerpos.

Temperatura y Radiación El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. Así, cuando se ponen en contacto dos cuerpos con temperaturas diferentes, el mas caliente cede calor al más frío hasta que se igualar sus temperaturas, momento a partir del cual éstas permanecen constantes y se interrumpe el intercambio de calor, habiéndose alcanzado el equilibrio térmico entre ambos cuerpos. En consecuencia, la temperatura no se mide en unidades energéticas, sino en unidades específicas para esta magnitud, tales cómo los grados centígrados.

Temperatura y Radiación El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. Por otro lado, no todos los cuerpos elevan su temperatura en la misma medida cuando se les suministra la misma cantidad de calor, definiéndose el calor especifico de un cuerpo como la cantidad de calor que hay que suministrarle para que su temperatura se eleve 1°C, siendo una magnitud variable de unas sustancias a otras. Uno de los cuerpos dotados de mayor calor específico es el agua, lo cual implica que la mayor parte de las sustancias de la naturaleza (superficie terrestre, cubierta vegetal, etc) tendrán un calor específico inferior. Ello supone que se calentarán más rápidamente que las superficies acuáticas cuando se les suministre la misma cantidad de calor.

Temperatura y Radiación El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la Tierra. Por otro lado, no todos los cuerpos elevan su temperatura en la misma medida cuando se les suministra la misma cantidad de calor, definiéndose el calor especifico de un cuerpo como la cantidad de calor que hay que suministrarle para que su temperatura se eleve 1°C, siendo una magnitud variable de unas sustancias a otras. Uno de los cuerpos dotados de mayor calor específico es el agua, lo cual implica que la mayor parte de las sustancias de la naturaleza (superficie terrestre, cubierta vegetal, etc) tendrán un calor específico inferior. Ello supone que se calentarán más rápidamente que las superficies acuáticas cuando se les suministre la misma cantidad de calor.

Temperatura

Temperatura  La radiación solar comienza a incidir en la superficie a las 6 de la mañana, alcanzando su valor máximo a las 12 del mediodía y se interrumpe a las 6 de la tarde, momento que se pone el sol.  La irradiación terrestre, aunque es continua, comienza a aumentar a partir de las 6 de la mañana, una vez que el suelo empieza a acumular calor procedente de la radiación solar; alcanza su valor máximo en torno a las 6 de la tarde, cuando toda la radiación solar recibida durante el día se ha acumulado en la superficie A partir de ese momento y durante la toda la noche sigue un proceso de disminución que refleja su continua perdida de calor; por ultimo, alcanza su mínimo a las 6 de la mañana, aumentando a partir de entonces por recibir nuevamente radiación solar.

Temperatura  El ciclo de temperatura refleja ambos procesos, experimentando una continua disminución durante toda la noche. Esta disminución solo se interrumpe poco después del amanecer, momento en el cual la radiación solar absorbida comienza a ser superior a la irradiación terrestre.  a partir de entonces la temperatura continúa aumentando hasta las 2 o 3 de la tarde, momento en el cual la irradiación terrestre comienza de nuevo a superar a la radiación solar absorbida A partir de las 6 de la tarde, cuando la radiación solar se hace nula, el proceso de enfriamiento se acelera, prolongándose hasta el día siguiente, en que se inicia primero el ciclo diario en el cual los valores mínimos se registran poco después del amanecer y los máximos horas más tarde de que pase el Sol por su cenit sobre el lugar

Temperatura

 La Latitud: Es un factor de primera magnitud, pues determina la radiación incidente en el límite superior de la atmósfera a lo largo de las distintas épocas del año. En ese sentido condiciona tanto los valores globales de la temperatura como sus regímenes

 La transparencia de la atmosfera: determina el balance de radiación del lugar al condicionar tanto las pérdidas de energía por absorción y reflexión difusa como las retenciones atmosféricas de la radiación infrarroja emitida por la Tierra. La nubosidad y el vapor de agua son los componentes clave en estos procesos y, en esa medida, se con- vierten también en factores clave de las temperaturas en la superficie terrestre

Temperatura

 La naturaleza de la superficie: completa el balance al condicionar las pérdida por reflexión y por irradiación desde la superficie terrestre. Cada tipo de superficie impone su imprenta sobre M temperaturas, siendo destacables en este sentido ciertas superficies taIes como:

 La superficie marina: Utiliza la energía de forma totalmente diferente a las superficies continentales, lo que conlleva un comportamiento de temperaturas también distinto entre ambas superficies, durante el día el océano absorbe una gran cantidad de radiación dado si reducisimo albedo; sin embargo, este calor no se traduce en una gran elevación de las temperaturas, y ello por varias razones: en primer lugar, porque el calor específico del agua es muy elevado; además, porque el calor se distribuye entre un gran volumen de agua, dada su transparencia para los rayos solares y dados los movimientos convectivo que permiten el intercambio vertical entre las aguas profundas y las superficiales; por último, porque gran parte de este calor no se utiliza para elevar la tempratura del agua, sino para realizar el proceso de la evaporación.

Temperatura

 En las superficies continentales ocurre todo lo contario. La radiación absorbida es menor, pero la elevación de la temperatura será mayor. En primer lugar, por el bajo calor específico de la Tierra; además, porque la escasez de agua reduce los gastos de calor en evaporación; por último, porque el calor apenas penetra en et subsuelo (la Tierra no es transparente a la radiación y tampoco realiza movimientos verticales de intercambio entre las capas profundas y las superficiales), quedando almacenado en una estrecha franja superficial, lo que intensifica su recalentamiento.

El resultado es que, durante el dia los océanos, a pesar de haber absorbido mucho calor, conservan unas temperaturas poco elevadas y muy inferiores a las registra das en las superficies continentales. Durante la noche los comportamientos son igualmente diferenciados. El océano emite gran cantidad de radiación hacia la atmosfera (al ser un cuerpo muy absorbente tiene también un alto coeficiente de emisividad), pero su temperatura se reduce poco porque gran parte de esta radiación va a quedar retenida en el abundante vapor de agua existente en las capas de aire próximas a la superficie.

Temperatura

 La circulación de la atmosfera oceánica: su condición de factor de temperatura se deriva de su papel de agentes transmisores de calor (por advección) entre distintos lugares del planeta. Tanto las masas de aire como las masas de agua transportan con ellas su calor en sus desplazamientos y lo transmiten a los lugares que recorren. En consecuencia, los lugares visitados por masas de aire y corrientes marinas frías experimentan un descenso en su temperatura, en tanto las masas y corrientes cálidas proporcionan el ascenso de las mismas.

 La altura sobre el nivel del mar: su acción es tal que mientras mayor sea esta, menores serán las temperaturas registradas.

Temperatura La topografía: la condición topográfica de un lugar condiciona la radiación solar que incide sobre él y origina importantes atices térmicos locales en las zonas dotadas de una topografía accidentada, siendo en este sentido fundamentales las diferencias registradas entre Solanas y Umbrías de las grandes cadenas montañosas. Pero además por su carácter de obstáculo para la circulación del aire, determina en gran medida los movimientos verticales de este, dando lugar a cambios térmicos adiabáticos de repercusiones sobre la temperatura de los lugares afectados. (efecto föhn, viento zonda)

Temperatura  Temperatura Media: es el promedio de lecturas de temperatura tomadas durante un período de tiempo determinado (día, semana, quincena, mes, año)  Temperatura Máxima Absoluta: es la máxima temperatura registrada en un periodo de tiempo  Temperatura Máxima Media: es el promedio de lecturas de temperaturas máximas registradas en un periodo de tiempo (día, semana, quincena, mes, año)

 Temperatura Mínima Absoluta: es la mínima temperatura registrada en un periodo de tiempo.  Temperatura Mínima Media: es el promedio de lecturas de temperaturas mínimas registradas en un periodo de tiempo (día, semana, quincena, mes, año)  Amplitud Térmica: es la diferencia numérica entre los valores Mínimos y Máximos observados durante un periodo de tiempo determinado (día, semana, quincena, mes, año)  Amplitud Térmica Media Mensual: es el promedio de todas las amplitudes térmicas diarias

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