Medición RADIACIÓN

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Observación Atmosférica
Equipo Docente
Oscar A. Frumento, Dr. Federico Norte, Lic. Magalí Medone
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOS COMECHINGONES
Medición de elementos atmosféricos
RADIACIÓN
Índice:
1. Definición de radiación
2. Espectro electromagnético
3. Radiación solar
4. Radiación terrestre
5. Balance de radiación
6. Medición de la radiación
6.1. Radiación solar directa
6.2. Radiación solar global
6.3. Radiación de onda larga
6.4. Radiación UV
6.5. Horas de sol
1. Definición de radiación
Es la transferencia de energía por ondas electromagnéticas que se produce desde la
fuente hacia fuera y en todas las direcciones y a través del espacio o algún medio.
La energía viaja en forma de ondas que liberan energía cuando son absorbidas por un
objeto. Estas ondas se denominan electromagnéticas debido a que poseen propiedades
eléctricas y magnéticas.
Una onda electromagnética puede ser descripta por tres características (no son independientes):
• Velocidad de onda (𝑐): velocidad a la que viaja una onda (en el vacío: 300.000 km/s – vel. de la luz)
• Longitud de onda (𝜆): distancia física entre dos puntos a partir de los cuales la onda se repite
• Frecuencia (𝑣): número de crestas que pasan por un punto dado en 1 segundo
𝑐 = 𝜆 𝑣
1. Espectro electromagnético
El rango total de tipos de radiación electromagnética que difieren por sus longitudes de onda constituyen el
espectro electromagnético. Las longitudes de onda se miden típicamente en nanómetros (nm) o micrómetros
(𝜇𝑚).
Conversiones:
1nm = 10−9 m / 1 𝜇𝑚 = 10−6 m.
Las longitudes de onda de la
radiación que un objeto emite,
dependen principalmente de la
temperatura del objeto.
Temperatura más alta
→ mayor movimiento
→ energía más alta
→ frecuencia más rápida
→ onda mas corta.
Los objetos con mayor temperatura emiten más energía total por unidad de área que los objetos más fríos.
Ley de Stefan-Boltzman
𝐸 = 𝜀𝜎𝑇4
E: potencia emisiva
T: temperatura absoluta (°K)
𝜀= emisividad
𝜎= Constante de Stefan-Boltzman
Espectro de energía del Sol y la Tierra.
Los cuerpos con mayor temperatura emiten un máximo de radiación en longitudes de onda más cortas que los que se
encuentran más fríos. Por lo tanto, mientras que el Sol emite sólo una parte de su energía como radiación infrarroja, la Tierra
enormemente más fría, irradia prácticamente toda su energía en ese espectro de radiación.
7%
44%
37%
11%
99% de la energía 
terrestre emite en 
𝜆 > 5𝜇𝑚
Ley de desplazamiento de Wien
Especifica que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de 
un cuerpo negro, y su temperatura
𝜆𝑚á𝑥 =
𝐵
𝑇
B: constante de Wien (0,002898 𝑚𝐾)
T: temperatura absoluta (°K)
Cuerpo negro: cuerpo idealizado que absorbe y 
emite toda la radiación que incide sobre él. 
¿𝜆𝑚á𝑥 del Sol? (T: 6.000K)
¿𝜆𝑚á𝑥 del Tierra? (T: 288K)
3. Radiación solar
La radiación solar es la magnitud que cuantifica la radiación proveniente del Sol. Al hablar de esta radiación, se suele
considerar irradiancia, es decir energía por unidad de área y tiempo, con lo cual su unidad de medida es W/m2.
La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra, denominada radiación global, está determinada por tres factores:
• La constante solar
• La altura del Sol
• La atenuación producida por la atmósfera
La constante Solar
Es la cantidad de radiación recibida, por unidad de superficie y tiempo, sobre un plano perpendicular a los rayos solares
localizado en el tope de la atmósfera
Tiene variaciones del orden del
0.1% a lo largo del ciclo solar de
11 años.
Intensidad media: 1360 W/m2
La altura del Sol
Se denomina altura del Sol o altura solar al ángulo formado por los rayos del Sol con la superficie terrestre. Este ángulo
puede variar entre 0° y 90° dependiendo de la latitud, la época del año y la hora del día.
Zenit
𝛼
La altura solar es importante pues la irradiancia varía en
función de este ángulo, siendo cero cuando el ángulo
es nulo y aumentando a medida que crece
→ Irradiancia: la energía radiativa que emite o recibe una
superficie por unidad de área (1 m2), y por unidad de
tiempo (1 s).
342 𝑊/𝑚2 342𝑊/𝑚2
Atenuación producida por la atmósfera
La radiación solar que llega a la
atmósfera puede ser dispersada,
reflejada o absorbida por sus
componentes.
Considerando, que al tope de la
atmósfera llega un 100% de la
radiación solar, de este total, sólo
un 26% llega directamente a la
superficie de la Tierra y un 25% es
dispersado por la atmósfera como
radiación difusa hacia la superficie,
esto hace que cerca de un 50% de la
radiación total incidente llegue a la
superficie terrestre. Un 19% es
absorbido por las nubes y gases
atmosféricos (como el ozono en la
estratosfera). El otro 30% se pierde
hacia el espacio, de este porcentaje,
la atmósfera dispersa un 6%, las
nubes reflejan un 20% y el suelo
refleja el otro 4 %.
A
b
s
o
rc
ió
n
 
(%
)
A
b
s
o
rc
ió
n
 
(%
)
Absorción de radiación por gases atmosféricos
El vapor de agua y el
dióxido de carbono son
importantes absorbedores
de radiación infrarroja
contribuyendo de esta
forma a elevar la
temperatura de los niveles
más bajos de la atmósfera
(tropósfera baja).
La atmósfera no absorbe
radiación de onda larga en
la banda entre 8 y 11 𝜇𝑚.
Este rango de longitudes de
onda se denomina ventana
de radiación debido a que
la atmósfera permite que
esa radiación escape al
espacio
exterior.
Dispersión
La interacción de la radiación con partículas en suspensión o moléculas de gases se conoce como 
dispersión.
La radiación dispersada se conoce habitualmente como radiación difusa.
Dispersión 
de Rayleigh
Dispersión 
de Mie
Dispersión de 
la Atmósfera
Interacción con partículas cuyo
tamaño es mucho menor que la
longitud de onda de los fotones
dispersados. (< 0,23 𝜆)
Interacción con partículas cuya
circunferencia es similar a la longitud
de onda de los fotones dispersados.
Reflexión
Capacidad de una superficie de reflejar la energía.
El albedo se define como la fracción (o porcentaje) de la energía solar incidente que es reflejada por una superficie.
Las diferentes superficies (agua,
nieve, arena, etc.) tienen diferentes
valores de albedo (tabla 1).
Considerando la Tierra y la
atmósfera como un todo, el albedo
promedio es 30%.
4. Radiación terrestre
La mayor parte de esta energía es
reirradiada hacia el cielo en longitudes
de onda infrarrojas.
La radiación terrestre se emite en
longitudes de onda comprendidas entre
1 nm y 30 nm con un máximo en 10 𝜇𝑚.
La atmósfera es transparente a la
radiación de onda corta del Sol pero
absorbe la radiación terrestre de onda
larga.
La atmósfera no es calentada por la
radiación solar sino que se calienta
desde la superficie de la Tierra hacia
arriba.
El flujo medio incidente en el tope de la 
atmósfera es un cuarto de la constante solar, 
es decir, unos 342 W/m2
5. Balance de radiación
La cantidad de energía que llega a la
superficie terrestre desde el Sol y la
atmósfera debe ser igual a la energía
que se refleja desde la superficie más la
que emite la Tierra al espacio.
La suma de los valores de la energía
entrante debe ser igual a la suma de
los valores de la energía saliente
(BALANCE)
6. Medición de la radiación
Las mediciones de la radiación se emplean para:
a) estudiar las transformaciones de la energía en el sistema Tierra-atmósfera, así como sus variaciones en el tiempo y en el
espacio;
b) analizar las propiedades y distribución de los componentes de la atmósfera, como los aerosoles, el vapor de agua, el
ozono, etc.;
c) estudiar la distribución y variaciones de la radiación incidente, saliente y neta;
d) responder a las necesidades de la biología, la medicina, la agricultura, la arquitectura y la industria en materia de
radiación;
e) verificar las mediciones de la radiación efectuadas por satélite, así como los algoritmos utilizados.
Existe una variedad de instrumentos para medir:
- La radiación solar
- La radiacióninfrarroja que recibe la superficie desde la atmósfera
- La radiación infrarroja emite la superficie hacia la atmósfera
Unidad de medición = Watt/m2
Radiación 
terrestre 
(infrarroja)
6.1. Radiación solar directa
El instrumento de medición se llama pirheliómetro.
Mide la energía que proviene directamente del sol, evitando la radiación difusa desde otras direcciones. 
La superficie receptoras
están dispuestas de modo que
sean perpendiculares a la
dirección del Sol.
La luz del sol entra en el
instrumento a través de un visor
y es dirigida sobre una termopila,
que convierte el calor en una
señal eléctrica, generando una
medida de radiación.
Generalmente se emplea asociado
con seguidores solares, que son
alineados correctamente con la
dirección del Pirheliómetro.
Un seguidor solar es un dispositivo
mecánico capaz de orientar algún
objeto de forma que éste
permanezca aproximadamente
perpendicular a los rayos solares.
Emplazamiento
Principales requisitos:
- Ausencia de obstrucciones para el haz solar en
todo momento y en cualquier época del año.
- Efectuar el emplazamiento de modo que la
influencia de la niebla, el humo y la contaminación
atmosférica sea lo más representativa posible del
área circundante.
Para las observaciones continuas se utiliza
normalmente una ventana que proteja el sensor y
los elementos ópticos de la lluvia, la nieve, etc. Debe
procurarse que la ventana se mantenga limpia, sin
que se forme condensación en su parte interior
6.2. Radiación solar global (directa + difusa)
Instrumentos con un rango espectral de entre 285 y 2800 nm y con un ángulo de visión de 2 π. 
Además, puede utilizarse para medir únicamente la radiación difusa, si a este se le incorpora los accesorios necesarios, como un aro sombreador.
Normalmente se utilizan sensores termoeléctricos,
fotoeléctricos, o bimetálicos.
Termopila: El sensor genera una pequeña tensión
proporcional a la diferencia de temperatura entre la
superficie de absorción negra y la carcasa del
instrumento. Luego se convierte la señal de salida
(expresada en microvoltios) en irradiancia global en
W/m².
Para evitar influencias externas que pueden afectar
a las mediciones, como las precipitaciones, la
suciedad o el viento, casi todas las cúpulas
semiesféricas individuales o dobles de los
piranómetros utilizan una cúpula de vidrio.Piranómetro de termopila
El piranómetro se utiliza a veces para medir la radiación solar en superficies inclinadas con respecto a la horizontal, y en posición invertida para
medir la radiación global reflejada. Al medir el componente celeste difuso de la radiación solar, el componente solar directo es filtrado en el
piranómetro mediante un anillo de sombra.
Conformados por dos tipos
de metales cuya función es
dar con la diferencia de los
potenciales entre ambos
extremos de la temperatura,
es decir, un punto está
diseñado para el calor y el
otro para el punto frío.
La cobertura de cristal en la que se encuentra, hace 
que su campo de visión solo pueda ser de 180 
grados, y le garantiza una protección segura a la 
batería.
Sirve para proteger eficazmente 
de cualquier factor externo a la 
célula solar.
Piranómetro bimetálico
Disco pintado con un
barniz negro que es el
encargado de absorber el
calor de las radiaciones
solares.
Elimina humedad
El anillo de sombra suprime la radiación
directa incidente sobre un piranómetro
permitiendo medir únicamente la radiación
difusa. El mecanismo de sombreado
dispone de varios ajustes que permiten
configurarlo para su uso en cualquier
localización.
Piranómetro con anillo de sombra
Utilizado en posición invertida para
medir la radiación global reflejada.
Piranómetro invertido
¿Radiación solar global? ¿Radiación difusa?
6.3. Radiación de onda larga
Los Pirgeómetros son radiometros de banda ancha que miden la radiación infrarroja (IR) de manera global, por lo que su rango 
espectral esta entre los 4,5 y 100 𝜇𝑚.
Partes:
- Detector de termopila
- Filtro para impermeabilización
- Termistor para medir la temperatura del detector
- Calentador
La radiación de onda larga incidente del detector se 
calcula a partir de la medida del balance de radiación y la 
temperatura del detector.
Sensor orientado hacia arriba: mide la radiación de onda 
larga entrante.
Sensor orientado hacia abajo: mide la radiación de onda 
larga saliente o reflejada.
Pirradiómetro
Se emplea para medir de forma separada las 4 componentes del balance energético de la radiación obtenida en la superficie 
terrestre, utilizando para ello una termopila que genera 4 voltajes de salida proporcional a las radiaciones de onda corta y larga.
Efectos que influyen en las mediciones:
- Hidrometeoros
- Emisividad de la superficie del sensor
- Temperatura
- Ventilación
- Nivelación
- Diferencia de resistencia entre el sensor 
de arriba y el de abajo
6.4. Radiación ultravioleta
Radiómetros con un rango espectral entre 280 y 400nm 
aproximadamente, cubiertos con una ventana de 
cuarzo, y otros multicanal con la posibilidad de registrar 
hasta 30 longitudes de onda diferentes entre los 305 y 
1640 nm alcanzando el rango visible del espectro.
Radiometro YES Radiometro Kipp & Zonen
Espectrorradiómetro de 
radiación infrarroja 
(1,5 a 14 𝜇𝑚)
Espectrorradiómetros
Espectrorradiómetro óptico
(380 a 780 nm)
Espectrorradiómetro radiación 
UV y VIS
Los instrumentos más sofisticados son los que utilizan rejillas
cuadriculadas u holográficas para dispersar la energía incidente
en un espectro.
6.5. Horas de sol (Heliofanía)
La Heliofanía representa la duración del brillo solar u horas de 
sol.
El instrumento que registra el período en que el sol alumbra se 
denomina heliofanógrafo.
Este consiste en una esfera de vidrio que actúa como
una lente concentradora de la luz solar sobre una
banda de papel.
Mientras que la radiación solar no es interceptada por
las nubes, la banda, que tiene una escala graduada en
horas, se va quemando a lo largo de una línea.
Posteriormente, y en forma manual, se evalúa el
período diario con insolación.
Banda de registro
Heliofanógrafo Campbell-Stokes.
Oeste
Este
Sur 
geográfico
Heliofanía efectiva (d): Es el período de tiempo (expresado en horas) durante el cual el lugar de observación
ha recibido radiación solar directa (es decir, que no ha sido interceptada por obstáculos) y que ha sido,
además, registrada por el instrumental de medición.
Heliofanía teórica astronómica (D): Es el máximo período de tiempo (expresado en horas) durante el cual
se podría recibir radiación solar directa, independientemente de las obstrucciones causadas por fenómenos
meteorológicos o relieves topográficos, para un lugar y fecha determinados.
Heliofanía relativa (H): Es el cociente entre la heliofanía efectiva (d) y la heliofanía teórica astronómica (D).
Expresada matemáticamente es:
𝐻 =
𝑑
𝐷
Emplazamiento
Para hacer un registro continuo, el lugar de
emplazamiento debe reunir ciertas condiciones:
a ) Estar completamente libre de obstáculos (árboles,
edificaciones, torres, etc.);
b ) El poste base donde se instale el heliógrafo debe
tener una altura de 1,20 m y estar perfectamente rígido;
c) El instrumento debe quedar correctamente nivelado.
d) El eje de la esfera debe quedar en la posición norte-
sur;
e) El casquete portabandas quedará en la posición
oriente-occidente;
f) Al graduar el instrumento por latitud este sufre una
inclinación en el hemisferio norte, la parte más alta
debe quedar hacia el norte y el hemisferio sur quedara
hacia el sur;
h) La línea de quemada por el sol debe quedar paralela
a la línea central de la banda.
Cambio de banda
dependiendo la
estación del año
Instrumentación de una estación radiométrica tipo (Fuente: Aemet)