Práctico 2: Balance de energía en el Tierra Climatología 2019

Ejercicio 1a) ¿Qué es la radiación electromagnética?, ¿qué es un cuerpo negro?, ¿qué sucede cuando laradiación electromagnética es absorbida por un cuerpo negro? b) Escriba y describa brevemente las 3 leyes de la radiación electromagnética.c) ¿Qué se entiende por radiación de onda corta y larga? Indique tipo de radiación emiten lossiguientes cuerpos:

• Superficie continental terrestre• Sol• Atmósfera terrestres• Nubes• Océano

Ejercicio 2Diga si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas (justifique su respuesta):i. Cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo negro, mayor es la energía que emite y la longitudde onda del máximo en su espectro de emisión.ii. La cantidad de energía que por unidad de tiempo y de superficie emite un cuerpo negro dependede su temperatura y de las propiedades químicas del mismo.iii. Considere dos cuerpos negros de temperaturas T1 y T2 . Si T1=3·T2 entonces E1=3·E2.iv. Sean λ1 y λ2 las longitudes de onda del máximo de emisión de dos cuerpos negros diferentes. Siλ1=2·λ2, entonces E1=E2/16.v. La ventana atmosférica es una franja dentro del espectro electromagnético en el que los gases dela atmósfera no absorben radiación.vi. Cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo negro, mayor es el área por debajo de la ley dePlanck, el cuál representa la energía total que emite el mismo.

Ejercicio 3Teniendo en cuenta que la luminosidad solar es de LO= 3,9x1026W y que el radio del Sol es deRo=7·108m, calcule la temperatura del mismo y la longitud de onda asociada al máximo de suespectro de emisión.

Ejercicio 4a) ¿Qué es la constante solar?b) Considere el modelo de equilibrio radiativo mas sencillo en el que la atmósfera es transparente ala radiación de onda corta y larga. Calcule la constante solar (S0,planeta) y la temperatura deequilibrio radiativo de los siguientes planetas:i) Venus, con un albedo planetario del 71% y una distancia al Sol de dT-S=1.08x1011m.ii) Marte, con un albedo planetario de 17% y una distancia al Sol de dM-S=228x106Km.c) Sabiendo que la temperatura de equilibrio de Mercurio es 169°C y su distancia al Sol 5.8x1010m,calcule su albedo planetario. Datos útiles: La constante de Stefan-Boltzmann es 5,67x10-8W/m2K4 y la luminosidad solar LO

=3,9x1026W.

Ejercicio 5a) Considere el planeta Tierra y suponga que su atmósfera es completamente transparente a laradiación solar pero opaca a la radiación que emite la superficie de la misma. Teniendo en cuentaque la constante solar de la Tierra es de S0,Tierra=1367Wm-2, calcule la temperatura de equilibrioradiativo de la superficie de la tierra y de su atmósfera. Asuma un albedo de 30%.b) ¿Cuál sería la temperatura de equilibrio radiativo de la superficie terrestre si la atmósfera en lugarde ser completamente opaca a la radiación terrestre, absorbiera el 95% de lo que emite la Tierra?

Ejercicio 6Considere un modelo de equilibrio radiativo en el que la atmósfera es opaca a la radiación de ondalarga emitida por la superficie (no existen ventana atmosférica). (a)¿Cuál sería la temperatura de equilibrio radiativo de la superficie de la Tierra si la atmósferaabsorbe el 23% de la energía que le llega del Sol? Considere un albedo planetario del 30%. (b) ¿Con qué factor se vería modificada la temperatura de la superficie si, bajo el mismo caso queen el apartado (a) disminuye la distancia Tierra – Sol un 50%?Datos útiles: La constante de Stefan-Boltzmann es 5,67x10-8W/m2K4 y la luminosidad solarLO=3,9x1026W.

Ejercicio 7 (para entregar)La radiación de onda corta procedente del Sol fundamentalmente pertenece a las franjas delultravioleta, visible e infrarrojo cercano; mientras que la radiación de onda larga emitida por lasuperficie terrestre pertenece al infrarrojo lejano. Considerando el modelo de balance radiativo deuna sola capa visto en clase (ver Figura 1), calcule la temperatura de emisión de la superficieterrestre si la atmósfera es opaca a la radiación de onda larga emitida por la superficie del planeta ya la ultravioleta del Sol. Esto quiere decir que la atmósfera no sólo absorbe la radiación emitida porla superficie, sino que también la parte que nos llega del sol que pertenece al ultravioleta. Parapoder resolverlo, suponga que la radiación ultravioleta que absorbe la atmósfera representa el 10%de la radiación solar total que penetra en la atmósfera. A su vez considere que no existe ventanaatmosférica. Datos: Luminosidad Solar: Lo=3.9 ·1026W, albedo planetario: αp=0.3, distancia Tierra – Sol: dTS=150 ·106km, constante de Stefan – Boltzmann: σ = 5.67 · 10-8Wm-2K-4.

Figura 1

Ejercicio 8

En la Figura 2 aparece esquemáticamente representado el balance de energía en el SistemaClimático. Verificar que se cumple efectivamente el balance de energía en la superficie, atmósfera yen el tope de la atmósfera. Explicar brevemente que fenómenos y/o procesos físicos que interactúanen cada balance de energía.

Figura 2

Ejercicio 9 (para entregar)

En las Figuras 3 y 4 se representan los flujos netos de radiación solar y de onda larga en superficie,respectivamente.

• Responda a las siguientes cuestiones sobre la Figura 3:a) ¿A qué se deben el mínimo relativo observado en el ecuador?b) ¿A qué se deben los máximos observados en los trópicos? ¿Podría argumentar por qué estos se encuentran del lado este de las cuencas?c) ¿ A qué podría deberse la diferencia del flujo neto radiativo de onda corta entre las zonas oceánicas y continentales?

• Responda a las siguientes cuestiones sobre la Figura 4:a) ¿A qué pueden ser debidos los mínimos en el flujo neto radiativo de onda larga?b) ¿Cómo argumentaría la diferencia que se observa en el flujo radiativo de onda larga entreun punto ubicado en el Desierto del Sahara y el Congo? Es decir, ¿por qué la pérdida deradiación de onda larga es mayor sobre la zona desértica que sobre la parte ecuatorial oestede África?

Figura 3

Figura 4