RADIACIÒN - Unidad de Ciencias de la Atmósfera

Transcripción

Principios básicos de mediciones atmosféricas
2011
RADIACIÒN
Principios de radiación
Los objetos que se encuentran a temperaturas mayores al cero absoluto (0 K) emiten radiación. Un
objeto que emite la máxima radiación posible para la temperatura a la que se encuentra es
denominado “cuerpo negro”.
Definiciones básicas:
Energía radiante Q: es la cantidad de energía que incide sobre una superficie de área dada en un
período de tiempo dado. Sus unidades son Joules (J).
Flujo (potencia) radiante, ɸ : es el flujo de energía radiante por unidad de tiempo. Se mide en Watts,
1W= 1 J/s
dQ
Φ =
dt
Irradiancia, E: es la densidad de flujo radiante por unidad de superficie que incide sobre un punto
en la superficie especificada. Deben incluirse todas las direcciones comprendidas en el ángulo
sólido hemisférico por encima o por debajo del punto en la superficie. Se mide en W/m2
E=
dΦ
ds0
La irradiancia es, por tanto función de la posición específica del punto considerado sobre la
superficie.
Intensidad radiante, I: es la densidad de flujo radiante por unidad de ángulo sólido incidente en un
punto del espacio propagándose en una dirección específica. Se mide en W/sr. (sr= estereorradian).
I=
Donde ω es el ángulo sólido.
Dra. Madeleine Renom
Fac. de Ciencias
dΦ
dϖ
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Radiancia, L: es la densidad de flujo radiante por unidad de área y de ángulo sólido incidente en un
elemento de superficie centrado en un punto del espacio propagandose en una direccion especifica.
De mide en W/m2sr.
d 2Φ
d 2Φ
=
dϖ ds dϖ ds0 cosθ
Donde ds=ds0cosθ es una magnitud denominada “área proyectada” que es el área de la proyección
de la superficie elemental ds0 (la que contiene al punto) sobre un plano perpendicular a la dirección
de propagación.
L=
Métodos de medición de Radiación:
La energía radiante puede ser detectada de tres maneras distintas:
A) mediante el aumento de la temperatura de una superficie receptora pequeña
B) por respuesta de una célula fotoeléctrica
C) por métodos fotoquímicos ( se busca reacción que sea afectada por la luz)
Los elementos térmicos sensibles pueden generar una señal eléctrica y son los mas utilizados para
medir radiación.
Los elementos sensores de tipo térmico pueden tomar la forma de una resistencia o una termopila.
Veamos como funciona un radiómetro neto, ya que esto es aplicable a otros tipo de sensores.
En general los radiómetros neto producen una señal debido a una absorción diferencial de radiación,
ya sea entre una superficie blanca y otra negra, dos negras, etc.
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El balance de energía en el tope de la superficie t de la placa negra esta dado por:
α Qb = ε σ Tt 4 + h( Tt − Ta ) +
λ
( Tt − Tb )
l
α= coeficiente de absorción
Q = densidad de flujo de radiación
ε = emisividad
σ = cte de Stefan-Boltzmann
h= coeficiente de convecciòn (por el aire encerrado)
λ = conductividad térmica
l= espesor del transductor
Ta= temperatura del aire
Tb es la temperatura del fondo de la placa
Por otro lado el balance de energía en la superficie inferior (b) es:
α Qb = ε σ Tb4 + h( Tb − Ta ) −
λ
( Tt − Tb )
l
La radiación neta Q* se obtiene realizando la resta de las ecuaciones 1) – 2)
(
)
Q * = α ( Qt − Qb ) = ε σ Tt 4 − Tb4 + h( Tt − Tb ) + 2
λ
( Tt − Tb )
l
Eliminando los términos por conveccion (ya que es un sólido) la ecuación queda:
(
)
Q * = ε σ Tt 4 − Tb4 + 2
λ
( Tt − Tb )
l
El flujo de calor a través del elemento sensible se puede expresar como:
G= λ/l (Tt-Tb)
Puede ser detectado con la ayuda de una termopila. La diferencia de temperatura entre los extremos
fríos y calientes de la termopila produce una señal dependiente del número de uniones involucradas
en el aumento de la temperatura. La señal esta relacionada con la diferencia de temperatura total
(Tt-Tb) mediante la potencia termoeléctrica.
La cual se define como:
D= NC(Tt-Tb)
N: numero de placas negras y C: cte de proporcionalidad
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4
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Usando la aproximación: Tt − Tb ≅ 4Tt (Tt − Tb )
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Entonces nos queda:
λ  D 

Q * =  4ε σ Tt 3 + 2  
 = gD
l   NC 

Donde g es la constante de calibración que depende de la temperatura, emisividad, conductividad y
espesor del transductor térmico.
El término de convección térmica puede ser reducido o eliminado encerrando la parte del sensor
del transductor térmico del radiómetro con una cobertura de vidrio o cuarzo. El vidrio y el cuarzo
son generalmente transparentes a longitudes de onda menores de 4 y 3 micrómetros
respectivamente.
Detectores Fotovoltaicos
Un piranómetro fotovoltaico utiliza un detector de silicio cuya respuesta cubre el rango espectral
desde los 400 a 1100 nm y cuya respuesta esta lejos de ser uniforme en todo el rango.
Como se observa la respuesta crece gradualmente hasta desde los 400 nm, alcanza un pico alrededor
de los 1000 nm y luego cae rápidamente hasta alcanzar el 0 a los 1100 nm. Debido a este gran error
en la respuesta espectral estos sensores fotovoltaicos deben ser calibrados contrastándolos con
sensor de termo-pila de alta calidad. L Una de las ventajas de los sensores fotovoltaicos es que son
muy baratos respecto a los otros sensores, pero no son útiles para mediciones de UV y radiación IR
cercana.
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Definiciones de Radiación:
Las mediciones de radiación de onda corta comúnmente utilizadas son la radiación solar global
recibida sobre una superficie horizontal y la radiación solar reflejada.
La radiación solar global incluye la radiación directa recibida del ángulo sólido del disco solar y la
radiación que ha sido dispersada al atravesar la atmósfera. Ocasionalmente la radiación solar global
es separada en dos términos: la radiación solar directa y la del cielo o radiación difusa.
La radiación de onda corta hacia arriba consiste en la radiación solar reflejada por la superficie y la
difundida por la capa de atmósfera ubicada entre la superficie y el punto de observación.
La suma de la radiación global menos la solar reflejada es conocida como radiación solar neta
La radiación total consiste de la radiación de onda corta y larga.
Cuando se considera el flujo hacia abajo, la radiación total incluirá la radiación solar global y la
radiación atmosférica de onda larga.
Si se considera la radiación hacia arriba, la radiación total la radiación solar reflejada, la radiación
terrestre y la radiación de onda larga de la atmósfera entre la superficie y el sensor.
La suma de los flujos totales de radiación hacia abajo menos el total de flujo de radiación hacia
arriba es la radiación neta.
Los instrumentos que mide la radiación se denomina radiómetro
Los instrumentos utilizados para medir los diferentes tipos de radiación tienen nombres especiales:
PIRANOMETRO: es usado para medir la radiación solar global
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PYRHELIÓMETRO: es utilizado exclusivamente para medir la radiación solar directa
PYRADIOMETRO: es utilizado para radiación total, tanto onda corta como larga
PYRGEOMETRO : radiación atmosférica de onda larga
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ALBEDÓMETRO: Mide albedo
PYRADIOMETRO NETO: radiación neta
UV Radiometers
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Sensor de duración de horas de sol
Heliofanógrafo: No miden radiación sino horas de sol!!!.
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Con que instrumental se miden las diferentes radiaciones definidas:
Radiación solar directa
Sensor
Rango espectral
Angulo
Accesorio necesario
Pyrheliometro
300nm - 3,000nm
< 5º
Track para seguir al sol
Radiación Global
Sensor
Rango espectral
Angulo
Accesorio
Pyranometro
300nm – 3,000nm
180°
Ninguno
Radiación Global Reflejada
Sensor
Rango
espectral
Angulo
Pyranometro
300nm – 3,000nm
180°
Escudo para evitar la llegada de
Accesorio radiación no-reflejada proveniente
de ángulos chicos
Radiación Difusa del cielo
Sensor
Rango espectral
Angulo
Pyranometro
300nm – 3,000nm
Radiación
180°
Disco de sombra
Accesorio:
Banda de sombra
Dispositivo para generar la sombra: Track solar/ Balon de sombra
Track solar/Disco de sombra
Atmosférica
Sensores
Pyranometro y Pyrgeometro
Rango Espectral 300nm – 50µm
Angulo
180°
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Accesorio
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Ninguno
Emision de superficie
Sensor
Pyranometro y Pyrgeometro
Rango espectral 300nm – 5oµm
Angulo
180°
Escudos para evitar la radición no-reflejada
Accesorios
de ángulo pequeño
Balance de Radiación
Radiometro Neto
2 Pyranometros y
2 Pyrgeometros
Rango espectral 300nm – 50µm
Angulo
180°
Escudo para los sensores que miran hacia abajo
Accesorios
para evitar la radiación no- reflejada
Sensor
Errores de Medición:
1) Error absoluto de Calibración: error debido al uso de un sensor de referencia que es
imperfecto para la calibración del sensor.
2) Error en la respuesta espectral: debido a sensores que no se ajustan a la respuesta espectral
ideal.
3) Error del coseno: es un error del sensor debido a una corrección de coseno poco exacta que
produce errores cuando el ángulo solar es bajo.
4) Error Azimutal: es el cambio en la salida del sensor cuando el mismo va rotando alrededor
de un eje normal a un ángulo particular de incidencia de la radicion solar.
5) Error de histéresis
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6) Error por coeficiente de temperatura: cuando el sensor es sensible tanto a la temperatura
como a la radiación.
7) Error de tiempo de respuesta: existe cuando la entrada cambia tan rapidamente que el
sensor no puede responder.
Exposición del instrumental:
•
La incidencia de niebla, contaminación, etc debe ser la representativa de la zona.
•
El domo debe permanecer limpio. Una estación de “1ra. Clase” requiere una limpieza
diaria
•
La condensación NUNCA debe ocurrir dentro del instrumental.
•
El lugar de emplazamiento debe estar libre de sombras desde todos los ángulos solares
de todo el año.
•
No debe existir refleccion de luz sobre el sensor.
•
El instrumento debe permanecer bien nivelado.
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