Radiación difusa del cielo

La radiación difusa del cielo es la radiación solar que llega a la superficie terrestre tras dispersarse del haz solar directo por moléculas o partículas en la atmósfera . También se denomina radiación del cielo , el proceso determinante para el cambio de color del firmamento . Normalmente se mide en una superficie horizontal, por lo que se suele denominar irradiancia horizontal difusa (IHD) , y se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m² ⁾ . Aproximadamente el 23 % de la radiación directa incidente de la luz solar total se pierde del haz solar directo al dispersarse en la atmósfera; de esta cantidad (de radiación incidente), aproximadamente dos tercios llegan finalmente a la Tierra como radiación difusa del cielo.

Los procesos de dispersión radiativa dominantes en la atmósfera son la dispersión de Rayleigh y la dispersión de Mie ; son elásticos , lo que significa que un fotón de luz puede desviarse de su trayectoria sin ser absorbido y sin cambiar su longitud de onda.

Bajo un cielo nublado, no hay luz solar directa, y toda la luz proviene de la radiación difusa que entra por el cielo.

A partir de los análisis de las consecuencias de la erupción del volcán filipino Monte Pinatubo (en junio de 1991) y otros estudios: ^{[ 2 ] [ 3 ]} La luz difusa del cielo, debido a su estructura y comportamiento intrínsecos, puede iluminar las hojas del sotobosque, permitiendo una fotosíntesis total de la planta más eficiente de lo que sería el caso de otro modo; esto en marcado contraste con el efecto de cielos totalmente despejados con luz solar directa que proyecta sombras sobre las hojas del sotobosque y, por lo tanto, limita la fotosíntesis de la planta a la capa superior del dosel (ver más abajo) .

La atmósfera terrestre dispersa la luz de longitud de onda corta con mayor eficiencia que la de longitudes de onda más largas. Debido a que sus longitudes de onda son más cortas, la luz azul se dispersa con mayor intensidad que las luces de longitud de onda más larga, como la roja o la verde. Por lo tanto, cuando el ser humano mira el cielo lejos de la luz solar directa , lo percibe azul. ^{[ 4 ]} El color percibido es similar al que presenta un azul monocromático (con una longitud de onda de 474–476 nm ) mezclado con luz blanca, es decir, una luz azul no saturada . ^{[ 5 ]} La explicación del color azul por Lord Rayleigh en 1871 es un ejemplo famoso de la aplicación del análisis dimensional a la resolución de problemas en física. ^{[ 6 ]}

La dispersión y la absorción son las principales causas de la atenuación de la radiación solar por la atmósfera. La dispersión varía en función de la relación entre el diámetro de las partículas (de las partículas presentes en la atmósfera) y la longitud de onda de la radiación incidente. Cuando esta relación es inferior a aproximadamente una décima parte, se produce la dispersión de Rayleigh . (En este caso, el coeficiente de dispersión varía inversamente con la cuarta potencia de la longitud de onda. Para relaciones mayores, la dispersión varía de forma más compleja, como se describe para partículas esféricas en la teoría de Mie ). Las leyes de la óptica geométrica comienzan a aplicarse para relaciones más elevadas.

Diariamente, en cualquier lugar del mundo donde se produce el amanecer o el atardecer , la mayor parte del rayo solar visible llega a la superficie terrestre casi tangencialmente . En esta zona, la trayectoria de la luz solar a través de la atmósfera se alarga , de modo que gran parte de la luz azul o verde se dispersa, alejándose de la línea de luz visible perceptible. Este fenómeno hace que los rayos del Sol, y las nubes que iluminan, adquieran abundantes tonalidades naranjas y rojas, como las que se observan al contemplar un amanecer o un atardecer.

Por ejemplo, cuando el Sol está en el cenit , a plena luz del día, el cielo es azul debido a la dispersión de Rayleigh, en la que también participan los gases diatómicos N.₂ yO_2. Cerca de la puesta del sol y especialmente duranteel crepúsculo,absorciónporozono(O₃ ) contribuye significativamente a mantenerel color azulen el cielo vespertino.

En un cielo nublado , prácticamente no hay luz solar directa , por lo que toda la luz es radiación difusa del cielo. El flujo de luz no depende mucho de la longitud de onda, ya que las gotas de las nubes son más grandes que la longitud de onda de la luz y dispersan todos los colores de forma casi uniforme. La luz atraviesa las nubes translúcidas de forma similar a como lo hace con el vidrio esmerilado . La intensidad varía (aproximadamente) desde 1/6 de la luz solar directa en nubes relativamente delgadas hasta 1/1000 de la luz solar directa en las nubes de tormenta más densas.

La irradiancia horizontal difusa forma parte de la irradiancia horizontal global y la siguiente relación se cumple para mediciones instantáneas.$${\displaystyle {\text{GHI}}={\text{DHI}}+{\text{DNI}}\times \cos(z)={\text{DHI}}+{\text{DirHI}}}$$ donde GHI es la irradiancia horizontal global, DHI es la irradiancia horizontal difusa, DNI es la irradiancia normal directa ,${\displaystyle z}$es el ángulo cenital solar y DirHI es la irradiancia horizontal directa .

Una de las ecuaciones para la radiación solar total en una superficie inclinada hacia el sur es: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle H_{t}=H_{b}R_{b}+H_{d}R_{d}+(H_{b}+H_{d})R_{r}}$

donde H _b es la irradiancia de la radiación directa, R _b es el factor de inclinación para la radiación directa, H _d es la irradiancia de la radiación difusa, R _d es el factor de inclinación para la radiación difusa y R _r es el factor de inclinación para la radiación reflejada.

R _b viene dado por:

${\displaystyle R_{b}={\frac {\sin(\delta )\sin(\phi -\beta )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi -\beta )}{\sin(\delta )\sin(\phi )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi )}}}$

donde δ es la declinación solar , Φ es la latitud, β es un ángulo con respecto a la horizontal y h es el ángulo horario solar .

R _d viene dado por:

${\displaystyle R_{d}={\frac {1+\cos(\beta )}{2}}}$

y R _r por:

${\displaystyle R_{r}={\frac {\rho (1-\cos(\beta ))}{2}}}$

donde ρ es la reflectividad de la superficie.

La erupción del volcán filipino - Monte Pinatubo en junio de 1991 expulsó aproximadamente 10 km³ (2,4 mi³ ) de magma y "17 millones de ^toneladas métricas " (17 teragramos ) de dióxido de azufre SO₂ al aire, introduciendo diez veces más SO₂ total _{que los} incendios de Kuwait de 1991 , ^{[ 8 ]} principalmente durante el evento explosivo Pliniano/Ultra-Pliniano del 15 de junio de 1991, creando una capa global de neblina estratosférica de _SO₂ que persistió durante años. Esto resultó en una caída de la temperatura media global de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) . ^{[ 9 ]} Dado que la ceniza volcánica cae de la atmósfera rápidamente, ^{[ 10 ]} los efectos agrícolas negativos de la erupción fueron en gran medida inmediatos y localizados en un área relativamente pequeña cerca de la erupción, causados ​​por la gruesa capa de ceniza resultante. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Sin embargo, a nivel mundial, a pesar de una caída del 5% en la irradiación solar total durante varios meses y una reducción del 30% en la luz solar directa, ^{[ 13 ]} no hubo un impacto negativo en la agricultura mundial. ^{[ 2 ] [ 14 ]} Sorprendentemente, se observó un aumento de 3 a 4 años ^{[ 15 ]} en la productividad agrícola mundial y el crecimiento forestal, con excepción de las regiones de bosques boreales . ^{[ 16 ]}     

El método de descubrimiento fue que inicialmente se observó una misteriosa caída en la tasa de dióxido de carbono (CO₂ ₎ que llenaba la atmósfera, la cual se grafica en lo que se conoce como la " Curva de Keeling ". ^{[ 17 ]} Esto llevó a numerosos científicos a suponer que la reducción se debía a la disminución de la temperatura de la Tierra y, con ello, a una ralentización en la respiración de las plantas y el suelo , lo que indicaba un impacto perjudicial en la agricultura mundial debido a la capa de neblina volcánica. ^{[ 2 ] [ 14 ]} Sin embargo, tras la investigación, la reducción en la tasa de dióxido de carbono que llenaba la atmósfera no coincidía con la hipótesis de que las tasas de respiración de las plantas habían disminuido. ^{[ 18 ] [ 19 ]} En cambio, la anomalía favorable se vinculó de manera relativamente firme ^{[ 20 ]} con un aumento sin precedentes en el crecimiento/ producción primaria neta , ^{[ 21 ]} de la vida vegetal global, lo que resultó en un aumento del efecto de sumidero de carbono de la fotosíntesis global. ^{[ 2 ] [ 14 ]} El mecanismo por el cual fue posible el aumento en el crecimiento de las plantas fue que la reducción del 30% de la luz solar directa también puede expresarse como un aumento o "mejora" en la cantidad de luz solar difusa . ^{[ 2 ] [ 18 ] [ 22 ] [ 14 ]}

El efecto de luz difusa del tragaluz

Esta luz difusa del cielo, debido a su naturaleza intrínseca, puede iluminar las hojas del sotobosque , permitiendo una fotosíntesis total de la planta más eficiente de lo que sería de otro modo, ^{[ 2 ] [ 14 ]} y también aumentando el enfriamiento por evaporación de las superficies vegetadas. ^{[ 23 ]} En marcado contraste, en cielos totalmente despejados y la luz solar directa que resulta de ellos, se proyectan sombras sobre las hojas del sotobosque , limitando la fotosíntesis de la planta a la capa superior del dosel. ^{[ 2 ] [ 14 ]} Este aumento en la agricultura global debido a la capa de neblina volcánica también resulta naturalmente como producto de otros aerosoles que no son emitidos por volcanes, como la contaminación por "carga de humo moderadamente espesa", ya que el mismo mecanismo, el "efecto radiativo directo del aerosol", está detrás de ambos. ^{[ 16 ] [ 24 ] [ 25 ]}

• Pesic, Peter (2005). Cielo en una botella . The MIT Press. ISBN 978-0-262-16234-0.

• Conferencia del Dr. CV Raman: ¿Por qué el cielo es azul?
• ¿Por qué el cielo es azul?
• Cielo azul y dispersión de Rayleigh
• Óptica atmosférica (.pdf), Dr. Craig Bohren. Archivado el 6 de diciembre de 2013 en Wayback Machine .