En radiometría , la irradiancia es el flujo radiante que recibe una superficie por unidad de área. La unidad SI de irradiancia es el vatio por metro cuadrado (W⋅m −2 ). La unidad CGS ergio por centímetro cuadrado por segundo (erg⋅cm −2 ⋅s −1 ) se utiliza a menudo en astronomía . La irradiancia se suele llamar intensidad , pero este término se evita en radiometría, donde tal uso conduce a confusión con intensidad radiante . En astrofísica, la irradiancia se llama flujo radiante . [1]
La irradiancia espectral es la irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda , dependiendo de si el espectro se toma como una función de la frecuencia o de la longitud de onda. Las dos formas tienen diferentes dimensiones y unidades: la irradiancia espectral de un espectro de frecuencia se mide en vatios por metro cuadrado por hercio (W⋅m −2 ⋅Hz −1 ), mientras que la irradiancia espectral de un espectro de longitud de onda se mide en vatios por metro cuadrado por metro (W⋅m −3 ), o más comúnmente vatios por metro cuadrado por nanómetro (W⋅m −2 ⋅nm −1 ).
La irradiancia de una superficie, denotada E e ("e" por "energético", para evitar confusiones con cantidades fotométricas ), se define como [2]
dónde
El flujo radiante emitido por una superficie se llama exitancia radiante .
La irradiancia espectral en frecuencia de una superficie, denotada E e,ν , se define como [2]
donde ν es la frecuencia.
La irradiancia espectral en longitud de onda de una superficie, denotada E e,λ , se define como [2]
donde λ es la longitud de onda.
La irradiancia de una superficie es también, según la definición de flujo radiante , igual al promedio temporal del componente del vector de Poynting perpendicular a la superficie:
dónde
En el caso de una onda electromagnética plana polarizada linealmente y sinusoidal que se propaga , el vector de Poynting siempre apunta a la dirección de propagación mientras oscila en magnitud. La irradiancia de una superficie se expresa entonces mediante [3]
dónde
Esta fórmula supone que la susceptibilidad magnética es despreciable, es decir, que μ r ≈ 1 ( μ ≈ μ 0 ) donde μ r es la permeabilidad magnética relativa del medio de propagación. Esta suposición es válida normalmente en medios transparentes en el rango de frecuencias ópticas .
Una fuente puntual de luz produce frentes de onda esféricos. La irradiancia en este caso varía inversamente con el cuadrado de la distancia a la fuente.
dónde
Para aproximaciones rápidas, esta ecuación indica que duplicar la distancia reduce la irradiación a una cuarta parte; o de manera similar, para duplicar la irradiación, reduce la distancia al 71%.
En astronomía, las estrellas se consideran habitualmente fuentes puntuales a pesar de que son mucho más grandes que la Tierra. Esta es una buena aproximación porque la distancia desde una estrella cercana a la Tierra es mucho mayor que el diámetro de la estrella. Por ejemplo, la irradiancia de Alpha Centauri A (flujo radiante: 1,5 L ☉ , distancia: 4,34 años luz ) es de aproximadamente 2,7 × 10 −8 W/m 2 en la Tierra.
La irradiancia global sobre una superficie horizontal de la Tierra se compone de la irradiancia directa E e,dir y la irradiancia difusa E e,diff . En un plano inclinado, hay otro componente de irradiancia, E e,refl , que es el componente que se refleja desde el suelo. La reflexión media del suelo es de alrededor del 20% de la irradiancia global. Por tanto, la irradiancia E e en un plano inclinado consta de tres componentes: [4]
La integral de la irradiancia solar durante un período de tiempo se denomina " exposición solar " o " insolación ". [4] [5]
La irradiancia solar media en la parte superior de la atmósfera de la Tierra es de aproximadamente 1361 W/m 2 , pero en la superficie la irradiancia es de aproximadamente 1000 W/m 2 en un día claro.
Cantidad | Unidad | Dimensión | Notas | ||
---|---|---|---|---|---|
Nombre | Símbolo [nb 1] | Nombre | Símbolo | ||
Energía radiante | Q e [nb 2] | joule | Yo | M⋅L2⋅T − 2 | Energía de la radiación electromagnética. |
Densidad de energía radiante | nosotros | julio por metro cúbico | J/ m3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | Energía radiante por unidad de volumen. |
Flujo radiante | Φ y [nb 2] | vatio | W = J/s | M⋅L2⋅T − 3 | Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida por unidad de tiempo. A veces también se la denomina "potencia radiante" y en astronomía se la denomina luminosidad . |
Flujo espectral | Φ e, ν [nota 3] | vatio por hercio | W/ Hz | M⋅L2⋅T − 2 | Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esta última se mide habitualmente en W⋅nm −1 . |
Φ e, λ [nota 4] | vatio por metro | Peso en metros | M⋅L⋅T − 3 | ||
Intensidad radiante | Yo e,Ω [nb 5] | vatio por estereorradián | Con sr. | M⋅L2⋅T − 3 | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por unidad de ángulo sólido. Se trata de una magnitud direccional . |
Intensidad espectral | Yo e,Ω, ν [nota 3] | vatio por estereorradián por hercio | W⋅sr −1 ⋅Hz −1 | M⋅L2⋅T − 2 | Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esta última se mide habitualmente en W⋅sr −1 ⋅nm −1 . Se trata de una cantidad direccional . |
Yo , e,Ω, λ [nota 4] | vatio por estereorradián por metro | W⋅sr −1 ⋅m −1 | M⋅L⋅T − 3 | ||
Resplandor | L e,Ω [nb 5] | vatio por estereorradián por metro cuadrado | W⋅sr −1 ⋅m −2 | M⋅T − 3 | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie , por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada. Se trata de una magnitud direccional . A veces también se la denomina, de manera confusa, "intensidad". |
Radiancia espectral Intensidad específica | L e,Ω, ν [nota 3] | vatio por estereorradián por metro cuadrado por hercio | W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 | M⋅T − 2 | Radiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esta última se mide habitualmente en W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅nm −1 . Se trata de una cantidad direccional . A veces también se la denomina, de forma confusa, "intensidad espectral". |
L e,Ω, λ [nota 4] | vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro | W⋅sr −1 ⋅m −3 | M⋅L − 1⋅T − 3 | ||
Densidad de flujo de irradiancia | E e [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W/ m2 | M⋅T − 3 | Flujo radiante que recibe una superficie por unidad de área. A veces también se lo denomina, de manera confusa, "intensidad". |
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral | E e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hercio | W⋅m − 2⋅Hz −1 | M⋅T − 2 | Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A veces también se la llama, de manera confusa, "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral que no pertenecen al SI incluyen Jansky (1 julio =10 −26 W⋅m −2 ⋅Hz −1 ) y unidad de flujo solar (1 ufs =10 −22 W⋅m −2 ⋅Hz −1 =10 4 Jy ). |
E e, λ [nota 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W/ m3 | M⋅L − 1⋅T − 3 | ||
Radiosidad | Yo [nb 2 ] | vatio por metro cuadrado | W/ m2 | M⋅T − 3 | Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido) de una superficie por unidad de área. A veces también se lo denomina, de manera confusa, "intensidad". |
Radiosidad espectral | J e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hercio | W⋅m − 2⋅Hz −1 | M⋅T − 2 | Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esta última se mide habitualmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . A veces también se la denomina, de forma confusa, "intensidad espectral". |
J e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W/ m3 | M⋅L − 1⋅T − 3 | ||
Excitación radiante | Yo y [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W/ m2 | M⋅T − 3 | Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad. A veces también se la denomina, de manera confusa, "intensidad". |
Excitación espectral | Yo , ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hercio | W⋅m − 2⋅Hz −1 | M⋅T − 2 | Excitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esta última se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A veces también se la denomina, de manera confusa, "intensidad espectral". |
Yo , λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W/ m3 | M⋅L − 1⋅T − 3 | ||
Exposición radiante | Él | julio por metro cuadrado | J/ m2 | M⋅T − 2 | Energía radiante que recibe una superficie por unidad de área o, equivalentemente, irradiancia de una superficie integrada en el tiempo de irradiación. A veces también se la denomina "fluencia radiante". |
Exposición espectral | Él , ν [nb 3] | julio por metro cuadrado por hercio | J⋅m − 2⋅Hz −1 | M⋅T − 1 | Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esta última se mide habitualmente en J⋅m −2 ⋅nm −1 . A veces también se denomina "fluencia espectral". |
Él , λ [nb 4] | julios por metro cuadrado, por metro | J/ m3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | ||
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