1. 22/1/2014
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
ALUMNA:
JAIME
ESPEJO
LA RADIACIÓN DE LA ATMOSFERA
LINE
LEYDIN
Omar Enrique Castañeda
Rodríguez
DOCENTE:
BALANCE RADIATIVO EN LA ATMOSFERA TERRESTRE

2. Ingeniería ambiental
Le doy las gracias a Dios por cada día de mi vida, al
profesor Omar Enrique Castañeda Rodríguez por
brindarme sus sabios conocimientos
cada clase
brindada, a mi familia por siempre estar
cuando los necesito y apoyarme moralmente y
económicamente
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Jaime Espejo Line Leydin

3. Ingeniería ambiental
3
Jaime Espejo Line Leydin

4. Ingeniería ambiental
Índice
1. LARADIACION DE LA ATMOSFERA ................................................................... 4
2. BALANCE RADIATIVO EN LA ATMOSFERA TERRESTRE ................................ 6
2.1.1.
Balance de Calor en la Atmósfera ........................................... 8
2.1.2.
Radiación de cuerpo negro ...................................................... 9
3. CUERPO NEGRO O RADIADOR IDEAL. .............................................................. 10
3.1.1.
4.
Emitancia de radiación. (Re). ........................................................... 12
LEYES DE LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO. ..................................... 14
4.1. Radiación de cuerpo negro ........................................................................... 14
4.2. Ley de Stefan-Boltzmann. .............................................................................. 15
4.3. Energía radiante emitida por un cuerpo………………………………………………16
4.4. Energía radiante absorbida por un cuerpo ............................................. 17
5.
CONCLUSIONES ................................................................................................ 17
6.
REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS ................................................................... 18
4
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5. Ingeniería ambiental
1. LA RADIACIÓN DE LA ATMOSFERA
os distintos gases que conforman la atmósfera absorben hasta un 20% de
L
la radiación solar incidente. Las radiaciones de mayor energía -es decir,
las de menor longitud de onda-, son absorbidas en las capas más externas
de la atmósfera, provocando reacciones de foto disociación y
fotoionización. A menor altura, en la estratosfera, el ozono se encuentra
presente en densidad elevada y absorbe los rayos ultravioleta de mayor
longitud de onda -hasta 340 nm- y en la troposfera, los gases invernadero dióxido de carbono especialmente, pero también metano, monóxido de di
nitrógeno y otros-, absorben parte de la radiación infrarroja. Como resultado
de estos procesos de absorción, la mayor parte de la radiación que incide en la
superficie terrestre pertenece a la región del espectro visible.
Por otra parte, también en la atmósfera se producen dispersión y reflexión de
la radiación solar, de hasta un 30% del incidente. Casi las tres cuartas partes de
la reflexión y dispersión se deben a las nubes, por lo que hay variaciones
locales y estacionales en estos procesos; el resto es dispersado por los
aerosoles atmosféricos.
Por consiguiente, alrededor de un 50% de la radiación solar llega
efectivamente a la superficie terrestre. Por otra parte, también ésta emite
radiación, en la región del infrarrojo y, en menor medida, por procesos
conectivos y de circulación atmosférica del agua; por estos procesos, la
superficie terrestre pierde temperatura. No obstante, al igual que ocurre con la
radiación incidente, los gases de efecto invernadero presentes en la atmósfera
absorben parte de la radiación emitida en el infrarrojo y posibilitan el
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6. Ingeniería ambiental
mantenimiento de una temperatura mínima adecuada para la vida en las
regiones más bajas de la troposfera; es lo que se denomina efecto invernadero
natural.
El proceso por el que se produce la absorción de radiación infrarroja es
mediante la afección al momento dipolar de las moléculas gaseosas. Puesto que
dicho momento es nulo en los gases más abundantes en la atmósfera (oxígeno
y nitrógeno moleculares), no absorben la radiación infrarroja. Ese momento,
sin embargo, sí queda afectado en moléculas biatómicas heteronucleares
(monóxido de carbono, monóxido de nitrógeno y cloruro de hidrógeno) y en las
poli atómicas (dióxido de carbono, agua, compuestos cloro carbonados, óxidos
de nitrógeno, etc.). Por lo tanto, el incremento de la concentración de
compuestos con momento molecular dipolar supondrá un mayor efecto
invernadero, con las consecuencias que se tratarán más adelante.
2. BALANCE RADIATIVO EN LA ATMOSFERA TERRESTRE
La atmósfera es casi totalmente transparente a la radiación visible y a la
infrarroja solar, pudiendo pasar gran parte del espectro solar en estas bandas
directamente a la superficie terrestre, excepto cuando la atmósfera está parcial
o totalmente cubierta de nubes o por cualquier otro constituyente que impida
el paso de la luz; de tal manera que esta energía de onda larga es atrapada por
la atmósfera. Esta energía no puede ser permanentemente acumulada por la
atmósfera, pues si así fuese, la atmósfera se calentaría continuamente. En lugar
de esto, la atmósfera re-emite radiación en todas direcciones, hacia afuera del
sistema terrestre y de regreso a la superficie de la tierra; de tal manera, que la
superficie terrestre es calentada tanto por la radiación solar directamente en el
visible e infrarrojo como por la radiación de la atmósfera en el infrarrojo. Por
esta razón, la superficie de la tierra, tiene una temperatura mayor (TST ≅288°K)
que la temperatura efectiva (TE ≅255°K).
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7. Ingeniería ambiental
combución de la radiación solar al nivel del mar, en condiciones de cielo claro y aire
seco, [Reproducido de Kraus, 1977].
Angulo Solar
UV
Visible
IR
0°
3%
42 %
55 %
60°
2%
42 %
56 %
75°
1%
40 %
59 %
83°
0%
30 %
70 %
combución de la radiación solar al nivel del mar,
en condiciones de cielo claro y aire seco,
[Reproducido de Kraus, 1977].
80%
70%
60%
50%
UV
40%
Visible
IR
30%
20%
10%
0%
0°
60°
75°
83°
FIGURA 1
7
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8. Ingeniería ambiental
2.1.Balance de Calor en la Atmósfera
El sol aporta aproximadamente el 99.7 % del calor que genera los distintos
procesos en el sistema terrestre; el resto (aproximadamente 0.3 %) proviene
de procesos geofísicos como la energía geotérmica (volcanes, aguas termales,
etc.). La radiación solar es la principal fuente de energía que genera los
movimientos de la atmósfera, permitiendo un balance de calor en todo el
sistema terrestre. La energía se transporta de cuatro formas en la atmósfera:
energía cinética, que es la energía asociada al movimiento de la atmósfera,
representa los procesos dinámicos como la circulación general, los vientos, el
transporte de masa, etc.; energía potencial, que es la energía que tiene una
parcela de aire en función de su posición con respecto a la superficie del suelo y
a la fuerza de gravedad; energía latente, que es el calor absorbido o liberado
por las parcelas de aire húmedas cuando hay procesos de cambio de fase, para
evaporar agua se requiere un calor, para fundir hielo se requiere calor (es decir
el calor que se requiere para cambiar el estado del agua); y finalmente la
energía térmica, que es la energía almacenada dentro de una masa de aire y
solo se manifiesta cuando existe una diferencia de temperatura entre la masa
del aire y el medio ambiente, generando un proceso de transferencia de calor
sensible.
El sistema terrestre puede ser visto como una máquina de calor gigante, recibe
una gran cantidad de calor del sol, utiliza una parte
considerable para mantener distintos
procesos como la circulación de la
atmósfera y los océanos, para mantener
la vida de la flora y fauna, y refleja al
espacio lo que no se usa. En los capítulos
3 y 4 se discutirán con más detalle la
energía latente, potencial y cinética.
8
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9. Ingeniería ambiental
2.2.Radiación de cuerpo negro
Dentro de las características fundamentales de la Física del siglo XX y que son
consecuencias del desarrollo de las ciencias naturales, está el establecimiento
de las concepciones cuánticas.
La Física Cuántica, con el cúmulo de concepciones y teorías a ella inherentes, y
que
en
la
actualidad
disfruta
de
gran
aceptación
dentro
de
la comunidad científica, no fue establecida de modo casual sino que fue
construida
a
partir
de
la
necesidad
de
dar
solución
a
determinados problemas que tuvo que enfrentar la Física Clásica a finales del
siglo XIX y principios del XX. Pero como toda teoría Física, la teoría cuántica
necesitó, para su completo establecimiento de los basamentos de las teorías de
las etapas precedentes a su desarrollo.
En otras palabras, se hizo necesario que la teoría ya establecida desde muchos
años atrás se enfrentara a nuevos fenómenos a los cuales no podía dar
explicación para que la comunidad científica de la época se diera cuenta de que,
con urgencia, se hacía necesaria la construcción de una teoría totalmente nueva
y que los postulados hasta el momento vigentes, debían ser cambiados.
Señalemos algunos de los descubrimientos teóricos y experimentales que
sirvieron para llevar a cabo el establecimiento y desarrollo de la nueva teoría.
 En
1897
Hertz
descubre
el
Efecto
Fotoeléctrico
y
las investigaciones hechas por los los científicos A. G. Stolietov y W.
Halwachs en los años 1888 y 1889 al respecto.
 La explicación por H. F. Weber en 1875 a la dependencia de la
capacidad calorífica respecto de la temperatura de los cuerpos.
 La determinación de la existencia de los espectros de rayas y franjas de
los cuerpos radiantes.
 Descubrimiento de la estructura compleja del átomo.
 El establecimiento de la teoría electrónica de la estructura de
la materia realizada por H. A. Lorente.
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10. Ingeniería ambiental
 Las investigaciones de V. A. Mijelson y B. B. Golitsin en la rama de
la termodinámica de la radiación.
 Descubrimiento de la presión de la luz por P. L. Lebedev.
 Descubrimiento y establecimiento en 1900 de la teoría de los cuantos de
luz en la explicación de la radiación.
 La explicación, por A. Einstein, del Efecto fotoeléctrico sobre la base de
la idea de estos cuantos de luz.
Las etapas finales del siglo XIX e iniciales del siglo XX se llevaron a cabo
muchos intentos para dar explicación, sobre la base de la teoría cuántica, a
la radiación electromagnética y, en especial, la de la radiación del cuerpo negro.
Antes del establecimiento de la Teoría Cuántica por Planck, y en el mejor de los
casos, estos intentos sólo coincidían con los resultados experimentales para
determinados rangos de longitudes de onda (o frecuencias) mientras que para
otros rangos eran totalmente inconsistentes.
Cabe aquí señalar que un error comúnmente cometido por científicos de la talla
de Wien, Rayleigh y Jeans entre otros se debió, fundamentalmente, a su intento
de utilizar las leyes de la Física Clásica para dar explicación a la Radiación
electromagnética. En particular las que exigían una variación continúa de las
magnitudes físicas. Entre ellas la energía presente en los procesos de radiación
y absorción.
Sin restar importancia a los demás fenómenos a que hemos hecho referencia,
dediquémonos al análisis de la Radiación Electromagnética.
3. CUERPO NEGRO O RADIADOR IDEAL.
Comencemos por establecer algunas definiciones y regularidades que nos
permitan entender las leyes de la Radiación electromagnética a que haremos
referencia.
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11. Ingeniería ambiental
Como se sabe, la emisión y absorción de luz se produce como consecuencia de
las oscilaciones de las partículas cargadas que conforman los átomos y/o
moléculas de las sustancias.
Esto es expresado por la teoría de Lorentz sobre la estructura de la sustancia.
De este modo, para dar una explicación completa de los fenómenos de
absorción y emisión de luz, se hace necesario el conocimiento de las leyes que
rigen la interacción entre las partículas cargadas y la radiación.
La Teoría de Lorentz antes mencionada tiene como limitaciones el hecho de
que supone que las interacciones entre las partículas que componen el átomo o
molécula son de índole elástico y aceptar la interpenetración entre estas
partículas. Independientemente de estas dificultades es posible utilizarla en la
explicación de la radiación y absorción de la luz hasta un nivel cualitativo o
semicuantitativo siempre desde el punto de vista energético. La parte de la
Física que se ocupa de este género de fenómenos se denomina Termodinámica
de la Radiación
La radiación está acompañada siempre de una pérdida de energía del cuerpo
que la produce y, por tanto, puede efectuarse a costa de la energía del propio
cuerpo o a costa de la energía que este reciba del exterior.
Cuando la cantidad de energía que el cuerpo recibe del exterior no es suficiente
para compensar por completo la energía emitida por él en forma de radiación,
parte de esta última se produce a expensas de la reserva de energía interna del
cuerpo.
En este caso se altera la distribución equilibrada de las partículas y, por tanto,
la radiación deja de ser equilibrada.
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12. Ingeniería ambiental
Pero si esta radiación se realiza tan despacio que la distribución de energía
interna del cuerpo tiene tiempo de igualarse y de continuar estando
equilibrada, la radiación también tendrá carácter equilibrado.
Detengámonos brevemente en la definición de algunas magnitudes
de interés para la descripción del fenómeno de la radiación.
3.1.Emitancia de radiación. (Re).
Es la magnitud numéricamente igual al flujo dE emitido por unidad de
superficie del cuerpo luminoso.
∫
Aquí dE es el flujo radiante integral; es decir, el flujo radiante referido a todas
las longitudes de onda posibles emite el cuerpo y
es el Poder emisivo del
cuerpo que representa la radiación referida a un intervalo de longitudes
de ondas dado.
Es fácil darse cuenta que cuando un flujo radiante
(correspondiente a un
pequeño intervalo de longitudes de onda y próximo a una longitud de onda
dada) incide sobre un cuerpo, una parte de él es reflejada por este y la otra
parte (que llamaremos
definir una magnitud
) es absorbida por el cuepo. Entonces se puede
llamada Absortividad como la relación:
Debe quedar claro que la magnitud
es función de la longitud de onda por
cuanto todos los cuerpos presentan selectividad para absorber flujos de
distintas longitudes de onda.
Entonces, al menos en teoría, podrá construirse un cuerpo que sea capaz de
absorber todo el flujo que incida sobre él; es decir, un cuerpo cuya absortividad
( ) sea igual a la unidad independientemente de la temperatura para toda
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13. Ingeniería ambiental
longitud de onda. Este cuerpo recibe el nombre de Cuerpo negro o Radiador
ideal.
De aquí que la relación:
(
)
Que expresa el contenido de la llamada Ley de Kirchhoff toma la forma
(
Por cuanto para el cuerpo negro
)
.
De aquí se obtiene una conclusión importante:
Todos los cuerpos negros, a la misma temperatura, tienen la misma distribución
de energía radiante entre las longitudes de onda; es decir, la emitancia de
radiación ( ) de todos los cuerpos negros experimenta la misma variación al
variar la temperatura.
Realmente, en la naturaleza, no existen cuerpos negros por cuanto este es
un modelo utilizado por la comunidad científica para realizar estudios sobre la
radiación.
En la realidad podemos imitar el comportamiento de un cuerpo negro si, por
ejemplo, tomamos un recipiente cerrado A que únicamente tenga un pequeño
orificio C. Cualquier rayo de luz que entre en el recipiente por el orificio C, sólo
podrá salir de él después de experimentar múltiples reflexiones, en cada una de
las cuales entregará al recipiente parte de su energía de modo que al salir el
rayo, sólo una parte insignificante de la energía que penetró al recipiente podrá
salir y el factor de absorción del orificio C resultará próximo a la unidad. Ver
figura
FIGURA 2
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Jaime Espejo Line Leydin

14. Ingeniería ambiental
4. LEYES DE LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO.
La dependencia del poder emisivo (
) del cuerpo negro de la temperatura y la
longitud de onda se obtuvo experimentalmente y responde a una gráfica en
forma de campana como la mostrada en la figura que sigue:
FIGURA 3
Como puede verse, a medida que aumenta la temperatura, el poder emisivo (
) del cuerpo aumenta.
Cada una de las curvas tiene un máximo que se desplaza hacia la región de las
longitudes de ondas cortas y se hace más agudo a medida que la temperatura
es mayor.
4.1.Radiación de cuerpo negro
La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía
incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el
interior es emitida.
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Jaime Espejo Line Leydin

15. Ingeniería ambiental
4.2. Ley de Stefan-Boltzmann.
Max Planck dedujo satisfactoriamente la distribución espectral de energía de
un cuerpo negro, partió de la idea que un cuerpo radiante se compone de un
número muy grande de osciladores elementales y el intercambio de energía
radiante, ocurre en forma de paquetes discretos de la forma,
Donde;
[
]
[
]
Es la constante de Planck. Así, la expresión teórica para la densidad espectral
del cuerpo negro resulta,
( )
Donde;
[
]
[
]
Es la velocidad de la luz en el vacío.
La intensidad total en W /·m2, de la radiación emitida por un cuerpo negro,
está dada por,
∫
Donde;
[
]
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16. Ingeniería ambiental
Donde P es la potencia total radiada y A es el
Área del cuerpo negro.
La energía emitida por un cuerpo negro por unidad de área y unidad de tiempo
es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T, dondeT esta
en kelvin [k] y K =C°+273.
En el grafico se observan algunas curvas
( ) para los distintos valores de
temperatura T. Las abscisas de los máximos correspondientes a las distintas
curvas, están vinculadas con sus valores de temperatura por:
Es importante notar que para la curva correspondiente a 6000 k tiene el
máximo ubicado en
[
]
4.3.Energía radiante emitida por un cuerpo
La cantidad de energía radiante emitida por unidad de área y por unidad de
tiempo desde la superficie de un cuerpo a temperatura T, viene dada por la
expresión,
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Jaime Espejo Line Leydin

17. Ingeniería ambiental
[
]
Donde es el coeficiente de emisión de la superficie del cuerpo.
Multiplicando por el área de la superficie del cuerpo, obtenemos la energía P
que pierde el cuerpo en la unidad de tiempo debido a la emisión de la
radiación,
[
]
4.4. Energía radiante absorbida por un cuerpo
Cuando incide energía radiante sobre la superficie del cuerpo, una parte de la
energía incidente es absorbida (Pa) que se obtiene multiplicando la intensidad
de la radiación por el área de su superficie, por la fracción (a) de la energía
incidente que es absorbida. El factor (a) es numéricamente igual a .
[
]
Donde (a) es el coeficiente de emisión de la superficie del cuerpo.
5. CONCLUSIONES
El
aire
contaminado
nos
afecta
en
nuestro
diario
vivir,
manifestándose de diferentes formas en nuestro organismo, como la
irritación de los ojos y trastornos en las membranas conjuntivas,
irritación en las vías respiratorias, agravación de las enfermedades
broncas pulmonares, etc.
Existen diversos modos de evitar la contaminación del aire, a saber:
* Uso de combustibles adecuados para la calefacción doméstica e
industrial.
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18. Ingeniería ambiental
* Usar chimeneas con tirajes o filtros en condiciones de cumplir
sus funciones.
*Mantener los vehículos motorizados en buenas condiciones.
* No quemar hojas o basuras, La óptima calidad de vida exige que el
equilibrio de la naturaleza no sea modificado.
El hombre debe aprender que el ambiente no es algo que pueda
manejar según su voluntad, sino que él debe integrarse para tener
una vida mejor.
Un paso importante para mejorar el hábitat sería lograr que el
hombre cambio de actitud interna hacia su ambiente respetando sus
valores y derechos Mientras los seres humanos no nos demos cuenta
del daño tan enorme que nos estamos haciendo al contaminar la
tierra no se podrá hacer nada para tratar de salvar lo que aún nos
queda
de
la
naturaleza.
Por
eso
tenemos
que
crear
una cultura basada en el respeto a la tierra y a la conservación de
nuestros recursos naturales
pues
es
importante
que
tengamos conocimiento sobre el daño que le podemos hacer a la
tierra con el uso de productos químicos, pues el sobrecalentamiento
del planeta está llevando a que el clima del planeta se salga de su
equilibrio normal y así otros problemas como la inversión térmica y
el daño a la capa de ozono.
6. REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS
 Caldwell,
L.
K. Ecología, Ciencia y política medioambiental. Madrid:
Editorial McGraw-Hill, 1993.
 Domènech, Xavier. Química Ambiental. El impacto ambiental de los
residuos. Madrid: Miraguano ediciones, 1997
 Sans, R. (1898). Ingeniería ambiental: contaminación y tratamientos.
madrid.
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