Radiación difusa del cielo

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) aproximadamente dos tercios finalmente llega a la Tierra como radiación difusa del cielo por fotones . ^{[ cita requerida ]}

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

Bajo un cielo nublado no hay luz solar directa y toda la luz es el resultado de la radiación difusa del cielorraso.

A partir de los análisis de las consecuencias de la erupción del volcán filipino Monte Pinatubo (en junio de 1991) y otros estudios: ^{[2] [3]} La luz del cielo difusa, debido a su estructura y comportamiento intrínsecos, puede iluminar las hojas del sotobosque, lo que permite una fotosíntesis total de toda la planta más eficiente de lo que sería el caso de otra manera; esto en marcado contraste con el efecto de los cielos totalmente despejados con luz solar directa que proyecta 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).

La atmósfera terrestre 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 con mayor fuerza que las luces de longitud de onda más larga, roja o verde. De ahí el resultado de que cuando se mira al cielo lejos de la luz solar incidente directa , el ojo humano percibe el cielo como azul. ^[4] El color percibido es similar al presentado por un azul monocromático (en una longitud de onda de 474–476 nm ) mezclado con luz blanca, es decir, una luz azul no saturada . ^[5] La explicación del color azul por Rayleigh en 1871 es un ejemplo famoso de aplicación del análisis dimensional para resolver problemas de física. ^[6]

La dispersión y la absorción son las principales causas de la atenuación de la radiación solar por la atmósfera. La dispersión varía en función de la relación entre los diámetros de las partículas (de las 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 relaciones mayores, la dispersión varía de una 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 relaciones mayores.

Diariamente, en cualquier lugar del mundo donde se observe el amanecer o el atardecer , la mayor parte del haz 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 fuera de la línea de luz visible perceptible. Este fenómeno hace que los rayos del Sol, y las nubes que iluminan, tengan abundantes colores naranjas y rojos, que se ven cuando se observa un amanecer o un atardecer.

En 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 a los gases diatómicos N
₂y O
₂Cerca del atardecer y especialmente durante el crepúsculo , la absorción por ozono ( O
₃) contribuye significativamente a mantener el color azul en el cielo nocturno.

En un cielo nublado , prácticamente no hay luz solar directa , 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 gotitas de las nubes son más grandes que la longitud de onda de la luz y dispersan todos los colores de manera aproximadamente igual. La luz pasa a través de las nubes translúcidas de manera similar al vidrio esmerilado . La intensidad varía (aproximadamente) desde 1 ⁄ 6 de la luz solar directa para nubes relativamente delgadas hasta 1 ⁄ 1000 de la luz solar directa en el extremo de las nubes de tormenta más espesas. ^{[ cita requerida ]}

Una de las ecuaciones para la radiación solar total es: ^[7]

${\displaystyle H_{t}=H_{b}R_{b}+H_{d}R_{d}+(H_{b}+H_{d})R_{r}}$

donde H _b es la irradiancia de la radiación del haz, R _b es el factor de inclinación para la radiación del haz, H _d es la irradiancia de la 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 dada por:

${\displaystyle R_{b}={\frac {\sin(\delta )\sin(\phi -\beta )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi -\beta )}{ \sin(\delta )\sin(\phi )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi )}}}$

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 dada por:

${\displaystyle R_{d}={\frac {1+\cos(\beta )}{2}}}$

y R _r por:

${\displaystyle R_{r}={\frac {\rho (1-\cos(\beta ))}{2}}}$

donde ρ es la reflectividad de la superficie.

La erupción del volcán filipino Monte Pinatubo en junio de 1991 expulsó aproximadamente 10 km3 ⁽ 2,4 millas cúbicas) de magma y "17.000.000 de toneladas métricas " (17 teragramos ) de dióxido de azufre SO2 al aire, introduciendo diez veces más SO2 total _que los incendios de Kuwait de 1991 , ^[8] principalmente durante el evento explosivo pliniano/ultrapliniano del 15 de junio de 1991, creando una capa de neblina estratosférica global de SO2 _{que persistió durante años. Esto resultó en una caída de la temperatura media global de aproximadamente 0,5} °C (0,9 °F). ^[9] Dado que la ceniza volcánica cae de la atmósfera rápidamente, ^[10] los efectos agrícolas negativos de la erupción fueron en gran parte inmediatos y localizados en un área relativamente pequeña en las proximidades de la erupción, causados ​​por la espesa capa de ceniza resultante. ^{[11] [12]} Sin embargo, a nivel mundial, a pesar de una caída del 5% en la irradiación solar general durante varios meses y una reducción de la luz solar directa del 30%, ^[13] no hubo un impacto negativo en la agricultura global. ^{[2] [14]} Sorprendentemente, se observó un aumento de 3 a 4 años ^{[15] en} la productividad agrícola mundial y el crecimiento forestal, con excepción de las regiones de bosques boreales . ^[16]

El medio del descubrimiento fue que inicialmente, se observó una misteriosa caída en la tasa a la que el dióxido de carbono (CO _{2 ) llenaba la atmósfera, que se grafica en lo que se conoce como la "} Curva de Keeling ". ^[17] Esto llevó a numerosos científicos a asumir que la reducción se debía a la disminución de la temperatura de la Tierra, y con eso, una desaceleración en la respiración de las plantas y el suelo , lo que indica un impacto perjudicial en la agricultura global de la capa de neblina volcánica. ^{[2] [14]} Sin embargo, al investigar, 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. ^{[18] [19]} En cambio, la anomalía ventajosa estaba relativamente firmemente ^[20] vinculada a un aumento sin precedentes en el crecimiento/ producción primaria neta , ^[21] de la vida vegetal global, lo que resultó en el aumento del efecto sumidero de carbono de la fotosíntesis global. ^{[2] [14]} El mecanismo por el cual fue posible el aumento del crecimiento de las plantas fue que la reducción del 30% de la luz solar directa también puede expresarse como un aumento o "mejora" en la cantidad de luz solar difusa . ^{[2] [18] [22] [14]}

Esta luz difusa, debido a su naturaleza intrínseca, puede iluminar las hojas del sotobosque , lo que permite una fotosíntesis total más eficiente de toda la planta de lo que sería el caso de otra manera, ^{[2] [14]} y también aumenta el enfriamiento por evaporación de las superficies vegetadas. ^[23] En marcado contraste, para los 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. ^{[2] [14]} Este aumento de la agricultura global a partir de la capa de neblina volcánica también resulta naturalmente como producto de otros aerosoles que no son emitidos por los volcanes, como la contaminación por "carga de humo moderadamente espesa", ya que el mismo mecanismo, el "efecto radiativo directo del aerosol", está detrás de ambos. ^{[16] [24] [25]}

• Pesic, Peter (2005). El cielo en una botella . The MIT Press. ISBN 978-0-262-16234-0.

• Conferencia del Dr. CV Raman: ¿Por qué el cielo es azul?
• ¿Por qué el cielo es azul?
• Cielo azul y dispersión de Rayleigh
• Óptica atmosférica (.pdf), Dr. Craig Bohren Archivado el 6 de diciembre de 2013 en Wayback Machine .