Radiación difusa del cielo

En la atmósfera de la Tierra, la eficiencia dominante de dispersión de la luz azul se compara con la luz roja o verde. El estafador y la absorción son las principales causas de la atenuación de la radiación solar por la atmósfera. Durante la luz del día, el cielo es azul debido a la dispersión de Rayleigh, mientras que alrededor del amanecer o el atardecer, y especialmente durante el crepúsculo, la absorción de la irradiación por el ozono ayuda a mantener el color azul en el cielo de la noche. Al amanecer o al atardecer, los rayos solares incidente tangencialmente iluminan las nubes con tonos naranja a rojo.

El espectro visible, aproximadamente 380 a 740 nanometros (nm), muestra la banda de absorción de agua atmosférica y las líneas de Fraunhofer solar. El espectro azul del cielo presenta a través de 450–485 nm, las longitudes de onda del color azul.

La radiación difusa del cielo es la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra después de haber sido dispersada desde el haz solar directo por moléculas o partículas en la atmósfera. También se llama radiación del cielo, el proceso determinante para cambiar los colores del cielo. Aproximadamente el 23% de la radiación incidente directa de la luz solar total se elimina del haz solar directo al dispersarse en la atmósfera; de esta cantidad (de radiación incidente), alrededor de dos tercios finalmente llegan a la tierra como radiación de tragaluz difundida por fotones.

Los procesos dominantes de dispersión radiativa 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 camino sin ser absorbido y sin cambiar la longitud de onda.

Bajo un cielo nublado, no hay luz solar directa y toda la luz proviene de la radiación difusa del tragaluz.

A partir de los análisis de las secuelas de la erupción del volcán filipino Monte Pinatubo (en junio de 1991) y otros estudios: El tragaluz difuso, debido a su estructura y comportamiento intrínsecos, puede iluminar las hojas debajo del dosel, lo que permite un total más eficiente. -la fotosíntesis de la planta de lo que sería el caso de otra manera; esto contrasta marcadamente con el efecto de cielos totalmente despejados con luz solar directa que arroja sombras sobre las hojas del sotobosque y, por lo tanto, limita la fotosíntesis de las plantas a la capa superior del dosel (ver más abajo).

Color

Un cielo claro, mirando hacia el cenit

La atmósfera de la Tierra dispersa la luz de longitud de onda corta de manera más eficiente que la de longitudes de onda más largas. Debido a que sus longitudes de onda son más cortas, la luz azul se dispersa más fuertemente que las luces de longitud de onda más larga, roja o verde. Por lo tanto, el resultado es que al mirar el cielo lejos de la luz solar directa incidente, el ojo humano percibe que el cielo es azul. El color percibido es similar al que presenta un azul monocromático (a una longitud de onda 474–476 nm) mezclado con luz blanca, es decir, una luz azul insaturada. La explicación del color azul por Rayleigh en 1871 es un ejemplo famoso de la aplicación del análisis dimensional para resolver problemas de física; (ver figura superior).

La dispersión y la absorción son las principales causas de la atenuación de la radiación solar por parte de la atmósfera. La dispersión varía en función de la relación entre los diámetros de las partículas (de partículas en la atmósfera) y la longitud de onda de la radiación incidente. Cuando esta relación es inferior a 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. A proporciones mayores, la dispersión varía de manera más compleja, como se describe para las partículas esféricas en la teoría de Mie). Las leyes de la óptica geométrica comienzan a aplicarse a mayores proporciones

Diariamente, en cualquier lugar del mundo que experimente el amanecer o el atardecer, la mayor parte del haz solar de luz solar visible llega casi tangencialmente a la superficie de la Tierra. Aquí, el camino de la luz solar a través de la atmósfera se alarga de tal manera que gran parte de la luz azul o verde se dispersa lejos de la línea de luz visible perceptible. Este fenómeno deja los rayos del sol y las nubes que iluminan, abundantemente de color naranja a rojo, que se ve cuando se mira una puesta de sol o un amanecer.

Para el ejemplo del Sol en el cenit, a plena luz del día, el cielo es azul debido a la dispersión de Rayleigh, que también involucra los gases diatómicos N2 y O2. Cerca del atardecer y especialmente durante el crepúsculo, la absorción por el ozono (O
₃) contribuye significativamente a mantener el color azul en el cielo vespertino.

Bajo un cielo nublado

Esencialmente, no hay luz solar directa bajo un cielo nublado, por lo que toda la luz es radiación difusa del cielo. El flujo de luz no depende mucho de la longitud de onda porque las gotas de las nubes son más grandes que la longitud de onda de la luz y dispersan todos los colores aproximadamente por igual. La luz atraviesa las nubes translúcidas de manera similar al vidrio esmerilado. La intensidad varía (aproximadamente) de 1⁄6 de luz solar directa para nubes relativamente delgadas hasta 1⁄1000 de luz solar directa bajo el extremo de las nubes de tormenta más espesas.

Como parte de la radiación total

Una de las ecuaciones para la radiación solar total es:

Ht=HbRb+HdRd+()Hb+Hd)Rr{displaystyle ¿Qué?

donde H_b es la irradiancia de radiación del haz, R_b es el factor de inclinación para la radiación del haz, H_d es la irradiancia de 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:

Rb=pecado⁡ ⁡ ()δ δ )pecado⁡ ⁡ ()φ φ − − β β )+#⁡ ⁡ ()δ δ )#⁡ ⁡ ()h)#⁡ ⁡ ()φ φ − − β β )pecado⁡ ⁡ ()δ δ )pecado⁡ ⁡ ()φ φ )+#⁡ ⁡ ()δ δ )#⁡ ⁡ ()h)#⁡ ⁡ ()φ φ ){displaystyle ¿Por qué?

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

R_d viene dado por:

Rd=1+#⁡ ⁡ ()β β )2{displaystyle R_{d}={frac {1+cos(beta)}{2}}

y R_r por:

Rr=*** *** ()1− − #⁡ ⁡ ()β β ))2{displaystyle ¿Qué?

donde ρ es la reflectividad de la superficie.

La agricultura y la erupción del Monte Pinatubo

Un transbordador espacial (Misión STS-43) foto de la Tierra sobre Sudamérica tomada el 8 de agosto de 1991, que captura la doble capa de nubes de aerosol Pinatubo (estrellas oscuras) por encima de las nubes inferiores.

La erupción del volcán de Filipinas, el monte Pinatubo, en junio de 1991 expulsó aproximadamente 10 km³ (2,4 cu mi) de magma y "17 000 000 toneladas métricas"(17 teragramos) de dióxido de azufre SO ₂ en el aire, introduciendo diez veces más SO₂ que los incendios de Kuwait de 1991, principalmente durante el evento explosivo Plinian/Ultra-Plinian del 15 de junio de 1991, creando una capa de neblina de SO2 estratosférico global que persistió durante años. Esto dio como resultado que la temperatura promedio mundial cayera alrededor de 0,5 °C (0,9 °F). Dado que la ceniza volcánica cae de la atmósfera rápidamente, los efectos agrícolas negativos de la erupción fueron en gran medida inmediatos y localizados en un área relativamente pequeña en las proximidades de la erupción, causados por la espesa capa de ceniza resultante. Sin embargo, a nivel mundial, a pesar de una caída del 5 % durante varios meses en la radiación solar general y una reducción de la luz solar directa del 30 %, no hubo un impacto negativo en la agricultura global. Sorprendentemente, se observó un aumento de 3 a 4 años en la productividad agrícola global y el crecimiento forestal, excepto en las regiones de bosques boreales.

Bajo la luz solar directa más o menos, sombras oscuras que limitan la fotosíntesis se lanzan sobre hojas de bajo nivel. Dentro del espeso, muy poca luz solar directa puede entrar.

El medio del descubrimiento fue que, inicialmente, se observó una caída misteriosa en la velocidad a la que el dióxido de carbono (CO₂) llenaba la atmósfera, que se representa en lo que se conoce como &# 34;Curva de Keeling". 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 de la respiración de las plantas y el suelo, lo que indica un impacto nocivo en la agricultura mundial debido a la capa de neblina volcánica. Sin embargo, después de la investigación, la reducción en la tasa a la que el dióxido de carbono llenaba la atmósfera no coincidía con la hipótesis de que las tasas de respiración de las plantas habían disminuido. En cambio, la anomalía ventajosa estaba relativamente firmemente vinculada a un aumento sin precedentes en el crecimiento/producción primaria neta de la vida vegetal global, lo que resultó en el aumento del efecto sumidero de carbono de la fotosíntesis global. 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 se puede expresar como un aumento o "mejora" en la cantidad de luz solar difusa.

El efecto lucernario difuso

Áreas bien iluminadas de subsuelo debido a nubes desbordadas que crean condiciones difusas / suaves de la luz solar, que permite fotosíntesis en hojas bajo el recipiente.

Esta claraboya difusa, debido a su naturaleza intrínseca, puede iluminar las hojas debajo del dosel, lo que permite una fotosíntesis total de toda la planta más eficiente de lo que sería el caso de otro modo, y también aumenta el enfriamiento por evaporación de las superficies con vegetación. En marcado contraste, para cielos totalmente despejados y la luz solar directa que resulta de ellos, las sombras se proyectan sobre las hojas del sotobosque, lo que limita la fotosíntesis de las plantas a la capa superior del dosel. Este aumento en la agricultura global de la capa de neblina volcánica también resulta naturalmente como un producto de otros aerosoles que no son emitidos por los volcanes, tales como "carga de humo moderadamente espesa" la contaminación, como el mismo mecanismo, el "efecto radiativo directo del aerosol" está detrás de ambos.