La radiación celeste difusa es la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra después de haber sido dispersada por el rayo 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 mediante dispersión en la atmósfera; De esta cantidad (de radiación incidente), aproximadamente dos tercios llegan finalmente a la Tierra como radiación de claraboya difundida por fotones . [ cita necesaria ]
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 su 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 análisis de las consecuencias de la erupción del volcán Pinatubo en Filipinas (en junio de 1991) y de otros estudios: [2] [3] La claraboya difusa, debido a su estructura y comportamiento intrínsecos, puede iluminar las hojas situadas debajo del dosel, lo que permite más fotosíntesis total de toda la planta más eficiente que lo que sería de otro modo; esto contrasta fuertemente con el efecto de 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 de la Tierra dispersa la luz de longitud de onda corta con mayor eficacia 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. De ahí el resultado de que cuando miramos al cielo lejos de la luz solar directa , el ojo humano percibe que el cielo es azul. [4] El color percibido es similar al que presenta un azul monocromático (a una longitud de onda de 474 a 476 nm ) mezclado con luz blanca, es decir, una luz azul insaturada . [5] La explicación del color azul por Rayleigh en 1871 es un ejemplo famoso de la aplicación del análisis dimensional a la resolución de 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 aproximadamente 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. En proporciones mayores, la dispersión varía de una manera más compleja, como lo describe la teoría de Mie para las partículas esféricas ). Las leyes de la óptica geométrica comienzan a aplicarse a mayores proporciones.
Diariamente, en cualquier lugar global que experimente el amanecer o el atardecer , la mayor parte del rayo 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, con abundantes colores de naranja a rojo, que se ven al mirar un atardecer 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, en la que también participan los gases diatómicos N.2y 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 nocturno.
Básicamente, no hay luz solar directa bajo un cielo nublado , por lo que toda la luz es radiación del cielo difusa. 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 traslúcidas como si fuera un cristal esmerilado . La intensidad varía (aproximadamente) desde 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. [ cita necesaria ]
Una de las ecuaciones para la radiación solar total es: [7]
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.
Rb viene dado por:
donde δ es la declinación solar , Φ es la latitud, β es un ángulo con respecto a la horizontal y h es el ángulo horario solar .
R d está dada por:
y R r por:
donde ρ es la reflectividad de la superficie.
La erupción del volcán Filipinas - Monte Pinatubo en junio de 1991 expulsó aproximadamente 10 km 3 (2,4 millas cúbicas) de magma y "17.000.000 de toneladas métricas " (17 teragramos ) de dióxido de azufre SO 2 al aire, introduciendo diez veces más SO total. 2 como los incendios de Kuwait de 1991 , [8] principalmente durante el evento explosivo Pliniano/Ultra-Pliniano del 15 de junio de 1991, que creó una capa de neblina estratosférica global de SO 2 que persistió durante años. Esto resultó en que la temperatura promedio global cayera aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F). [9] Dado que la ceniza volcánica cae rápidamente de la atmósfera, [10] los efectos agrícolas negativos de la erupción fueron en gran medida inmediatos y se localizaron en un área relativamente pequeña muy cerca 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 ningún impacto negativo en la agricultura global. [2] [14] Sorprendentemente, se observó un aumento de 3 a 4 años [15] en la productividad agrícola global y el crecimiento forestal, con excepción de las regiones de bosques boreales . [dieciséis]
El método de descubrimiento fue que inicialmente se observó una misteriosa caída en la velocidad a la que el dióxido de carbono (CO 2 ) llenaba la atmósfera, lo que se representa en lo que se conoce como la " Curva de Keeling ". [17] 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 desaceleración en la respiración de las plantas y el suelo , lo que indica un impacto nocivo en la agricultura global debido a la capa de neblina volcánica. [2] [14] Sin embargo, tras la investigación, la reducción en la velocidad 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 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 . [2] [18] [22] [14]
Este tragaluz difuso, debido a su naturaleza intrínseca, puede iluminar las hojas del dosel, lo que permite una fotosíntesis total de toda la planta más eficiente de lo que sería el caso, [2] [14] y también aumenta el enfriamiento por evaporación de las superficies con vegetación. [23] 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 , limitando la fotosíntesis de las plantas a la capa superior del dosel. [2] [14] Este aumento en la agricultura global debido a 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 espeso", como el mismo mecanismo, el "aerosol". "efecto radiativo directo" está detrás de ambos. [16] [24] [25]
