Radiometría solar. Energía solar UV-A y UV-B

Radiometría solar. Energía solar UV-A y UV-B

Camila Jara , Engel Ramírez, Carlos Sepúlveda

camila.jara@ug.uchile.cl, engel.ramirez@ug.uchile.cl,

carlos.sepulveda@ug.uchile.cl

Resumen        ______________________________________

En este práctico se buscó registrar la variación de las radiaciones UV-A y UV-B entre las 11:00 y las 12:00. Para ello, se midió la radiación directa y difusa de distintos materiales y superficies, cada 5 minutos con un espectroradiómetro. Con estos datos y conociendo la declinación solar y la latitud del lugar, fue posible calcular el ángulo Cenit, el cual presenta su menor valor alrededor del mediodía, por lo cual, en ese instante, la distancia recorrida por la radiación en la atmósfera es la mínima posible, lo que implica que una pequeña fracción de ella es dispersada y/o reflejada, llegando con mayor intensidad a la superficie terrestre. Los datos registrados y los ángulos calculados se graficaron en función de la hora de medición, además de realizar una extrapolación de éstos últimos a distintas horas del día, suponiendo las mismas condiciones meteorológicas. También, se calculó el porcentaje de reflexión de las distintas superficies, obteniéndose el mayor valor para el celular (6,76%), y el menor valor para el pasto húmedo (0,88%).

Introducción______________________________________

La energía radiante emitida por el sol influye sobre la existencia de vida en la tierra como por ejemplo en procesos fundamentales como la fotosíntesis; aunque también, un exceso de ésta puede generar efectos perjudiciales para los seres vivos. La emisión de esta radiación corresponde a la de un cuerpo negro a una temperatura de 6000 K, de acuerdo a la ley de Planck. La radiación de interés en la atmósfera posee una amplia distribución de longitudes de onda que van desde UV (100-400 nm); Visible (400-750 nm); IR (400-1000nm), donde las radiaciones más cortas son las de mayor energía.  Sin embargo, no toda esta radiación logra alcanzar la superficie terrestre debido a la presencia de diferentes filtros naturales presentes en la atmósfera los cuales absorben principalmente las ondas de longitudes cortas como las UV.
La radiación UV tiene gran importancia ya que participa directamente en los procesos fotoquímicos en la atmósfera y además genera diversos efectos sobre la vida terrestre. Esta radiación ha sido divida en tres rangos: UV-A (320-420nm); UV-B (280-320nm); UV-C (200-280nm).
La radiación UV-C, no logra alcanzar la superficie de la tierra debido a que  una fracción de ésta      (<240  nm)  es absorbida principalmente por el O2 que se encuentra sobre la estratósfera. El resto de esta radiación es filtrado principalmente por el Ozono presente en la estratósfera media y baja el cual posee un espectro de absorción entre 220-320 nm. Por otro lado, parte de la radiación UV-B también es filtrada por el O3 pero de manera menos eficaz.  Con respecto a la radiación UV-A, no existe ningún otro constituyente de la atmósfera que pueda absorber de manera significativa esta radiación,  por lo tanto, una fracción de radiación UV-B y prácticamente toda la radiación UV-A llega a la superficie terrestre.

La radiación que logra alcanzar un determinado punto en la atmósfera,  depende de la intensidad de la radiación emitida y además de la fracción de ésta, la cual es absorbida y/o dispersada debido a otras partículas presentes (moléculas de agua, gas aerosoles, etc.) de manera que atenúan y cambian la dirección de la radiación solar, pero además, una vez alcanzada alguna superficie de la tierra como: cemento tierra, metal, etc.,  ésta puede ser reflejada.

Una forma de determinar la radiación que finalmente logra llegar a la superficie terrestre, consiste en realizar mediciones de la radiación directa e indirecta, para lo cual se utiliza un espectroradiómetro, los cuales están constituidos por dos sensores ultravioleta, uno de tipo A y otro de tipo B, de esta forma, se puede determinar cómo varía la intensidad de la radiación UV-A y UV-B con respecto al transcurso del día.

La probabilidad de que esta radiación pueda ser absorbida o dispersada depende de la distancia que debe recorrer antes de alcanzar un punto determinado en la superficie. Esta distancia además depende del ángulo que forma la línea recta que une a la tierra con el sol y la vertical (cenit).  El valor de este ángulo (Z) depende de la declinación del sol, la latitud y la hora del día y para una determinada localidad y momento puede ser determinado a partir de la siguiente expresión:

[pic 2]

Donde:

lat.= latitud (fija ubicación);  dec.= declinación (fija día);  lha.= Ángulo horario local (fija hora)

La declinación puede obtenerse a partir de:

[pic 3]

Donde N es el día del año juliano. (N=79 para el 20 de Marzo de 2017).

Y el Ángulo de horario local se determina a partir de:

[pic 4]

Donde:

HRL: Hora reloj local

MDS: Mediodía solar (12 horas)

ET: Ecuación del tiempo [*]

LE: Longitud estándar (60º, zona horaria)

LL: Longitud local (-70,6°)

AH: Adelantamiento de la hora (horario de verano) [1 hora]

Para determinar la ecuación del tiempo [*]:

[pic 5]

Con:

[pic 6]

Finalmente,  para determinar la irradiación teórica, se considera el flujo actínico y las respuestas de los sensores espectrales utilizados en la medición de manera que se puedan comparar con los datos registrados.

La ecuación de flujo actínico está dado por:

[pic 7]

Dónde: h= 6,62*10-34 (J*s); c= 3,00*108 (m/s) y “n” es el número de fotones.

Por último, se calculará el porcentaje de reflexión de distintas superficies, utilizando la siguiente formula:

[pic 8]

Dónde: I = Radiación reflejada desde la superficie, mientras que I0 = Radiación incidente.

Materiales y Métodos_   _____________________________

Materiales.

• Espectroradiómetro
• Cronómetro

Métodos.

• Para este práctico, se realizaron mediciones experimentales de diferentes radiaciones en el rango (UV-A y UV-B) del espectro electromagnético. Estas mediciones se registraron con un espectroradiómetro de banda, el cual está conformado por una unidad computacional que registra la información recibida en un sensor de banda.
• Dichas mediciones se tomaron con un espectroradiómetro portátil, registrando radiación solar directa UV-A y UV-B en un tiempo total de 60 minutos con intervalos de 5 minutos aproximadamente. Además, para cada medición se debía anotar su punto máximo de radiación correspondiente e, intentar hacerlo siempre a la misma distancia desde el suelo, ya que, con pequeñas variaciones, los resultados varían significativamente, todo esto debe quedar registrado en hora local y hora universal.
• Más tarde, de forma comparativa se orientan los sensores hacia el cielo para poder registrar la radiación directa y la radiación difusa (en 90° respecto a la directa).

Resultados y Discusión    _____________________________

A continuación, se presentan los registros de las distintas mediciones realizadas de la radiación UV-A y UV-B directa, difusa y reflejada.

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