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Irradiancia

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 ).

Definiciones matemáticas

Irradiancia

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 .

Irradiancia espectral

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.

Propiedad

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 .

Fuente puntual

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.

Irradiación solar

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.

Unidades de radiometría del SI

  1. ^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades radiométricas se denoten con el sufijo "e" (por "energético") para evitar confusiones con cantidades fotométricas o de fotones .
  2. ^ abcde Símbolos alternativos que a veces se ven: W o E para energía radiante, P o F para flujo radiante, I para irradiancia, W para exitancia radiante.
  3. ^ abcdefg Las cantidades espectrales dadas por unidad de frecuencia se denotan con el sufijo " ν " (letra griega nu , que no debe confundirse con la letra "v", que indica una cantidad fotométrica).
  4. ^ abcdefg Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se denotan con el sufijo " λ ".
  5. ^ Las cantidades direccionales se denotan con el sufijo " Ω ".
Comparación de magnitudes fotométricas y radiométricas

Véase también

Referencias

  1. ^ Carroll, Bradley W. (7 de septiembre de 2017). Introducción a la astrofísica moderna . pág. 60. ISBN 978-1-108-42216-1.OCLC 991641816  .
  2. ^ abc «Aislamiento térmico. Transferencia de calor por radiación. Magnitudes físicas y definiciones». ISO 9288:1989 . Catálogo ISO . 1989. Consultado el 15 de marzo de 2015 .
  3. ^ Griffiths, David J. (1999). Introducción a la electrodinámica (3.ª ed., reimpresión con ed. corregida). Upper Saddle River, NJ [ua]: Prentice-Hall . ISBN 0-13-805326-X.
  4. ^ ab Quaschning, Volker (2003). "Fundamentos tecnológicos: el sol como recurso energético". Renewable Energy World . 6 (5): 90–93.
  5. ^ Liu, BYH; Jordan, RC (1960). "La interrelación y distribución característica de la radiación solar directa, difusa y total". Energía solar . 4 (3): 1. Bibcode :1960SoEn....4....1L. doi :10.1016/0038-092X(60)90062-1.