Atmósfera y radiación solar

Imagen: arco iris en el lago Palmer, cerca de Atlin, en la Columbia Británica, Canadá, 2014.

Todo fenómeno climático de la Tierra tiene origen en la llegada de radiación solar, por tanto es de especial interés saber como se comporta esa radiación cara a ver su efecto en el planeta. En esta entrada presentaremos la radiación solar y sus principales características, sin ánimo de entrar en demasiados detalles y enfocada al aspecto geográfico. La radiación solar se compone de una vertiente electromagnética y otra térmica.

La radiación electromagnética se caracteriza por la propagación en forma de ondas transversales de un campo magnético y un campo eléctrico, cuyos vectores son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, a la velocidad de 300 000 000 metros por segundo. Los campos se propagan en forma de onda provocando oscilaciones y dependiendo del tipo de radiación la longitud de esas ondas varía.

La longitud de onda (λ) y la frecuencia de la onda (v) son lo que permiten clasificar cada tipo de radiación electromagnética conformando el espectro electromagnético. Las ondas de radio (televisión, radio) son las de onda larga y baja frecuencia. Las siguen las microondas, la radiación infrarroja (que emite todo cuerpo con algo de calor) llegando a la luz visible con los diferentes colores representados por longitudes de onda distintas: del rojo (longitud larga) al violeta (longitud corta). Tras la luz que podemos ver con nuestros ojos se encuentra la radiación ultravioleta y más allá, con longitudes muy cortas y alta frecuencia, los rayos X y la radiación gamma (ϒ).

La λ se mide en nanometros (nm, 0’000001 mm) o micrometros (micras, µm, mil nm). La radiación solar oscila entre los 0’15 y los 4 µm, siendo una onda relativamente corta, mientras que la radiación terrestre se mueve entre 5 y 1000 µm. La luz visible se encuentra entre los 0’4 y los 0’75 µm.

Los diferentes fenómenos electromagnéticos se componen de haces de corpúsculos llamados fotones, que contienen energía, y han sido detectados de forma evidente. La radiación por tanto se comporta de forma dual, como una onda, continua, y como  corpúsculos, discontinua. Es imposible observar ambas características a la vez, aunque existen experimentos que confirman su presencia. De Broglie, Compton, Davisson y Germer en el siglo XX plantearon hipótesis y experimentos para demostrar esta doble naturaleza con éxito.

La radiación térmica es emitida por un material lo suficientemente condensado, medida en calorías (cal). El poder emisor de un cuerpo es la radiación emitida por unidad de tiempo por superficie y el flujo de radiación de ese cuerpo es la cantidad de radiación que atraviesa una superficie por unidad de tiempo medida perpendicularmente. Esto último se denomina constante solar, en el caso de la radiación solar que llega a la Tierra, y se mide en el límite de la atmósfera. La radiación que llega se puede medir también en kilolangleys (kcal/cm², Kly), se reciben unos 263 KLy por año en la atmósfera, la cual filtra el 47% de esa cantidad antes de que llegue a la superficie terrestre.

Toda radiación que entra en el medio terrestre sufre modificaciones en la velocidad y en el tipo de energía radiante. La atmósfera absorbe parte de esa radiación emitiendo calor en el proceso, la reflecta o la difunde, además la composición química de la atmósfera reacciona diferente a los diferentes tipos de radiación.

La luz visible y las ondas de radio pueden atravesar la atmósfera sin problemas, mientras que el agua absorbe las ondas largas, las bandas de Schumann (compuesta por O₂) y la de Hartley (O₃, ozono) absorben energía ultravioleta y el dióxido de carbono y el metano absorben la infrarroja. Además determinadas longitudes de onda de luz visible son reflejadas más por la atmósfera: mientras que las ondas largas pasan libremente, las ondas cortas (azules) son reflectadas creando el color del cielo. Según la cantidad de atmósfera a atravesar se reflectaran más o menos λ, de esta manera en el ocaso se dispersa más cantidad de luz azul, dejando solamente las ondas rojizas.

Existen varias leyes que gobiernan la radiación y que apuntamos a modo de anotación:

· Ley de Planck: que relaciona la λ con la emisión de energía a determinada temperatura. Según la temperatura del cuerpo emisor se emitirá un rango de λ, creando una curva donde determinadas λ se emiten más que las otras. Como apuntábamos, el Sol emite entre dos λ, pero su máximo de emisión se da en 0’475 µm.

· Ley de Stefan-Boltzmann: el poder emisor de un cuerpo es directamente proporcional a su temperatura. Derivada de la anterior.

· Ley de Wien: la longitud de onda máxima emitida es inversamente proporcional a la temperatura. Derivada de la de Planck.

· Ley de Kirchhoff: un cuerpo que absorbe radiación también la emite.

Los diferentes tipos de radiación no solo resultan de interés para el estudio atmosférico, también para el uso de imágenes por satélite para el análisis de usos del suelo, presencia de agua, incendios y por supuesto la nubosidad, mediante SIG y también modelos informáticos de predicción del tiempo atmosférico.