Modelización de la radiación ultravioleta solar

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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA MODELIZACIÓN DE LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA SOLAR Marta M. VARO MARTÍNEZ Córdoba 2006 MODELIZACIÓN DE LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA SOLAR Memoria de Tesis para optar al grado de DOCTOR por la UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA AUTOR: Marta M. VARO MARTÍNEZ DIRECTORES DE TESIS: D. Gerardo PEDRÓS PÉREZ Dª. Pilar MARTÍNEZ JIMÉNEZ Córdoba 2006 AUTORIZACIÓN DE LOS DIRECTORES: D. GERARDO PEDRÓS PÉREZ Y Dª. PILAR MARTÍNEZ JIMÉNEZ, DOCTORES Y CATEDRÁTICOS DE ESCUELA DEL DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA, EN LA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA, INFORMAN QUE: La presente memoria de Tesis Doctoral “MODELIZACIÓN DE LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA SOLAR”, ha sido realizada por Dª. Marta M. Varo Martínez, bajo su dirección y supervisión. Por tanto, autorizan su presentación según la normativa vigente de admisión a trámite de lectura de Tesis Doctorales. D. Gerardo PEDRÓS PÉREZ Dª.
Publicado el : lunes, 01 de enero de 2007
Lectura(s) : 32
Fuente : Helvia.uco.es
Número de páginas: 329
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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA






MODELIZACIÓN DE LA
RADIACIÓN ULTRAVIOLETA
SOLAR





















Marta M. VARO MARTÍNEZ

Córdoba 2006






MODELIZACIÓN DE LA RADIACIÓN
ULTRAVIOLETA SOLAR





Memoria de Tesis para optar al grado de DOCTOR por la
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA













AUTOR:





Marta M. VARO MARTÍNEZ



DIRECTORES DE TESIS:






D. Gerardo PEDRÓS PÉREZ Dª. Pilar MARTÍNEZ JIMÉNEZ



Córdoba 2006

AUTORIZACIÓN DE LOS DIRECTORES:


D. GERARDO PEDRÓS PÉREZ Y Dª. PILAR MARTÍNEZ JIMÉNEZ, DOCTORES Y
CATEDRÁTICOS DE ESCUELA DEL DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA, EN LA
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA,



INFORMAN QUE:

La presente memoria de Tesis Doctoral “MODELIZACIÓN DE LA RADIACIÓN
ULTRAVIOLETA SOLAR”, ha sido realizada por Dª. Marta M. Varo Martínez, bajo su
dirección y supervisión. Por tanto, autorizan su presentación según la normativa vigente
de admisión a trámite de lectura de Tesis Doctorales.






D. Gerardo PEDRÓS PÉREZ Dª. Pilar MARTÍNEZ JIMÉNEZ














































A mis Padres



AGRADECIMIENTOS:


Al comenzar esta memoria deseo expresar mi agradecimiento a todas aquellas personas
que han contribuido, ya sea de forma directa o indirecta, al desarrollo de este trabajo
de investigación. En particular, quiero mostrar mi agradecimiento y gratitud a:


Al Dr. Gerardo Pedrós Pérez y a la Dra. Pilar Martínez Jiménez, por su constante
dedicación y su acertada labor de dirección.

Al Profesor Manuel Nuñez, por todo lo aprendido durante mi estancia en la
Universidad de Tasmania.

A todos los miembros del departamento de Física Aplicada de la Universidad de
Córdoba y, en especial, a Paqui, a Josefina, a Nieves y a la Profesora Mª del
Carmen García, por vuestro interés y vuestra continua disposición a prestarme
ayuda.

A Juan y a mi familia, por vuestro apoyo incondicional y por vuestra paciencia,
compresión y ánimo durante las épocas de más trabajo.

Y, en especial, a mis padres, por haber hecho posible que hoy esté escribiendo
estas palabras de gratitud como colofón de toda una carrera de formación que
vosotros me habéis facilitado, porque vuestra ayuda no se limita a unos años
sino que se extiende a toda una vida.


A todos ellos, mi más sincera gratitud.


ÍNDICE

Capítulo 1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1.- INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………….….1
1.2.- OBJETIVOS…………………………………………………………………………………………………….….2
1.3.- GRADO DE INNOVACIÓN PREVISTO…………………………………………………………………………3
1.4.- ESTRUCTURA DEL ESTUDIO……………………………………………………………………………………4

Capítulo 2.- ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA RADIACIÓN SOLAR TOTAL Y
ULTRAVIOLETA
2.1.- EL SOL COMO FUENTE ENERGÉTICA……………………………………………………….……………..7
2.1.1.- LA CONSTANTE SOLAR Y EL ESPECTRO SOLAR …………………………….………..11
2.2.- GEOMETRÍA SOL-TIERRA. POSICIÓN SOLAR…………………………………………….………..…11
2.2.1.- DISTANCIA TIERRA-SOL………………………………………………………….……….…11
2.2.2.- DECLINACIÓN……………………………………………………………………………….…..13
2.2.3.- ECUACIÓN DEL TIEMPO………………………………………………………..……………..15
2.2.4.- POSICIÓN DEL SOL………………………………………………………………….…………16
2.3.- CÁLCULO DE LA RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE SOBRE UNA
SUPERFICIE HORIZONTAL………………………………………………………………………………..………….19
2.4.- LA RADIACIÓN SOLAR A SU PASO POR LA ATMÓSFERA……………………………..…………….21
2.4.1.- LA ATMÓSFERA…………………………………………………………………….……………21
2.4.1.1.- ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA…………………………………….………21
2.4.1.2.- COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA…………………………………………..23
2.4.2.- ATENUACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR ………………………………………………….25
2.4.2.1.- ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR. ………………………….………30
2.4.2.2.- DISPERSIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR. …………………………….…..32
2.5.- COMPONENTES ESPECTRALES DE LA RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE……………….…………36
2.5.1.- RADIACIÓN VISIBLE……………………………………………………………………..….…37
2.5.2.- RADIACIÓN FOTOSINTÉTICAMENTE ACTIVA …………………………………….….…38
2.6.- RADIACIÓN ULTRAVIOLETA …………………………………………………………………………………38
2.6.1.- INFLUENCIA DE LA ATMÓSFERA EN LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA……….…… 40
2.6.2.- INFLUENCIA DE LA NUBOSIDAD EN LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA ……….……42
2.6.3.- INFLUENCIA DE LA ALTITUD EN LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA …………….…..43
2.6.4.- INFLUENCIA DEL ALBEDO EN LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA ……………………..45
2.6.4.- INFLUENCIA DE LA ELEVACIÓN SOLAR EN LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA ……47
2.6.5.- FLUCTUACIONES NATURALES ……………………………………………………………...48

Capítulo 3.- SISTEMA DE MEDIDA
3.1.- INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE VARIABLES METEOROLÓGICAS………………………………..49
3.1.1.- MEDIDAS DE RADIACIÓN………………………………………………………….…………49
3.1.1.1.- PIRHELIÓMETROS………………………………………………………………..50
3.1.1.2.- PIRANÓMETROS……………………………………………….…………….……52
3.1.2.- MEDIDAS DE VARIABLES METEOROLÓGICAS……………………………...………….55
I 3.2.- DESCRIPCIÓN DE LA ESTACIÓN RADIOMÉTRICA DE CÓRDOBA…………………………….……56
3.2.1.- SENSORES…………………………………………………………………………………….….57
3.2.1.1.- SENSORES PARA RADIACIÓN TOTAL…………………………………….…57
3.2.1.2.- SENSORES PARA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA…………………..……….59
3.2.1.3.- SENSORES PARA VARIABLES METEOROLÓGICAS…………………….…61
3.2.2.- INSTRUMENTOS DE CONTROL…………………………………………………….…………61
3.2.3.- ESQUEMA DE LA ESTACIÓN DE MEDIDA………………………………………….…….62
3.3.- PROCESO DE ALMACENAMIENTO UTILIZADO Y MEDIDAS REALIZADAS………….……………63
3.4.- OPERATIVIDAD Y MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE MEDIDA…………………………..………64
3.4.1.- VALIDACIÓN Y CONTROL DE CALIDAD DE LOS DATOS DE RADIACIÓN………..65
3.4.2.- OPERACIONES DE MANTENIMIENTO DEL SISTEMA………………………………..….67
3.5.- BASE DE DATOS……………………………………………………………………………………….………69

Capítulo 4.- MODELADO DEL ÍNDICE DE CLARIDAD EN FUNCIÓN DE LA
MASA DE AIRE PARA LA RADIACIÓN SOLAR TOTAL Y ULTRAVIOLETA EN
CÓRDOBA
4.1.- ÍNDICE DE CLARIDAD………………………………………………………………………………….…….71
4.1.1.- DEFINICIÓN Y JUSTIFICACIÓN……………………………………………………..……….71
4.1.2.- DISTRIBUCIONES DE FRECUENCIA DEL ÍNDICE DE CLARIDAD……………….…..74
4.2.- METODOLOGÍA……………………………………………………………………………………………….…79
4.3.- MODELADO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS…………………………………………………….……….83
4.3.1.- ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS FUNCIONES DE PROBABILIDAD
RELATIVA …………………………………………………………………………………………………..…83
4.3.2.- ESTUDIO ESTADÍSTICO DE LA FUNCIÓN DE PROBABILIDAD
exp
RELATIVA f (k ) …………………………………………………………………………………….94 rel tUV
exp
4.3.3.- MODELOS MATEMÁTICOS PARA f (k ) ………………………………………..…99 rel tUV
4.4.- CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………..….106

Capítulo 5.- MODELOS DE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA SOLAR
5.1.- FRACCIÓN DE LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA FRENTE A LA RADIACIÓN TOTAL………..…109
5.2.- MODELOS PARA LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA EN FUNCIÓN DE LA
RADIACIÓN TOTAL……………………………………………………………………………………………….….115
5.3.- METODOLOGÍA…………………………………………………………………………………………….…123
5.4.- RADIACIÓN SOLAR ULTRAVIOLETA DIARIA……………………………………………………….…126
5.4.1.- EVOLUCIÓN TEMPORAL DE LA RADIACIÓN SOLAR
ULTRAVIOLETA DIARIA……………………………………………………………………………….…126
5.4.2.- PORCENTAJE DE RADIACIÓN DIARIA ULTRAVIOLETA FRENTE A TOTAL ………129
5.4.3.- ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LA RADIACIÓN SOLAR TOTAL
DIARIA Y SU COMPONENTE ULTRAVIOLETA…………………………………………………….…131
5.4.4.- VALORES MEDIOS, MÁXIMOS Y MÍNIMOS DE RADIACIÓN DIARIA…………….139
5.4.5.- DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIAS ACUMULADAS ……………………………………144
5.4.6.- CORRELACIONES ENTRE MEDIDAS DIARIAS DE RADIACIÓN
ULTRAVIOLETA Y TOTAL ………………………………………………….……………………..…….147
II 5.4.7.- CORRELACIONES ENTRE MEDIDAS DIARIAS DE RADIACIÓN
SOLAR TOTAL, DIFUSA Y ULTRAVIOLETA ………………………………………………………...157
5.5.- RADIACIÓN SOLAR ULTRAVIOLETA HORARIA ………………………………………………………159
5.5.1.- EVOLUCIÓN DIARIA DE LA RADIACIÓN SOLAR TOTAL
HORARIA Y SU COMPONENTE ULTRAVIOLETA PARA DÍAS CLAROS……………………..…160
5.5.2.- ESTUDIO ESTADÍSTICO DE LA RADIACIÓN SOLAR HORARIA
TOTAL Y ULTRAVIOLETA…………………………………………………………….………………….173
5.5.3.- CORRELACIONES ENTRE LA RADIACIÓN HORARIA ULTRAVIOLETA
Y TOTAL………………………………………………………………………………………………….….192
5.5.4.- ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS LOCALIDADES DE
CÓRDOBA Y VALENCIA…………………………………………………………………………………..195
5.5.5.- INFLUENCIA DE LA NUBOSIDAD…………………………………………………………..217
5.6.- CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………..….…224

Capítulo 6.- MODELO PARA EL CÁLCULO DE LA COLUMNA TOTAL DE
OZONO
6.1.- OZONO: PROBLEMÁTICA MEDIOAMBIENTAL………………………………………………….…….227
6.1.1.- PROCESOS DE FORMACIÓN Y DESTRUCCIÓN DE OZONO……………..………….229
6.1.1.1.- OZONO ESTRATOSFÉRICO…………………………………….…………….229
6.1.1.2.- OZONO TROPOSFÉRICO…………………………………………….……….233
6.1.2.- OZONO Y CAMBIO CLIMÁTICO…………………………………………………………….235
6.2.- RED MUNDIAL DE MEDIDA……………………………………………………………………………….237
6.3.- LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ACTUALES…………………………………………………..…………..240
6.4.- MEDIDAS EXPERIMENTALES Y METODOLOGÍA………………………………………………….….243
6.5.- MODELO MATEMÁTICO DE LA COLUMNA TOTAL DE OZONO ……………………………………249
6.4.- CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………..….269

Capítulo 7.- CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS DE TRABAJO
7.1.- CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………...271
7.1.1.- MODELADO DEL ÍNDICE DE CLARIDAD EN FUNCIÓN DE LA MASA
DE AIRE PARA LA RADIACIÓN SOLAR TOTAL Y ULTRAVIOLETA EN CÓRDOBA………….272
7.1.2.- MODELOS DE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA SOLAR………………………………..…273
7.1.3.- MODELO PARA EL CÁLCULO DE LA COLUMNA TOTAL DE OZONO………………274
7.2.- PERSPECTIVAS DE TRABAJO……………………………………………………………………………..275

REFERENCIAS………………………………………………………………….………..277

NOMENCLATURA ESPECÍFICA..………………………………………….………..305

ANEXO: COMUNICACIONES CIENTÍFICAS……………………………………..309
III ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1: Movimiento de la Tierra alrededor del Sol ……………………………………………….….11
Figura 2.2.: Evolución anual del factor de corrección de la excentricidad de la
órbita terrestre de acuerdo con la expresión de Spencer (1971)…….…………………………….12
Figura 2.3.: Orientación relativa del eje de la Tierra en su movimiento alrededor
del Sol ………………………………………………………………………………………………………………………………13
Figura 2.4.: Esfera celeste, movimiento aparente del Sol y variación anual del
ángulo de declinación solar ……………………….…………………………………………………………………….14
Figura 2.5.: Evolución anual de la ecuación del tiempo según Spencer (1971)……………15
Figura 2.6.: Esfera celestial y coordenadas del Sol relativas a un observador
ubicado sobre la Tierra en el punto O………………………………………………………………………………17
Figura 2.7.: Definición del ángulo cenital solar, la altura solar y el azimut……………………18
Figura 2.8.: Distribución vertical generalizada de la temperatura y la presión
hasta 110 km aproximadamente…………………………………………………………………………………..…22
Figura 2.9.: Componentes de la radiación global incidente sobre una
superficie inclinada……………………………………………………………………………………………………………26
Figura 2.10.: Capacidad absorbente de los diversos gases de la atmósfera
para radiación de distintas longitudes de onda……………………………………………………………….31
Figura 2.11.:Difusión de la radiación solar………………………………………………………………………34
Figura 2.12.: Distribución espectral de la radiación solar……………………………………….………37
Figura 2.13.: Curva de eficiencia luminosa o de respuesta espectral………………………….…38
Figura 2.14.: Transmitancia espectral para diferentes modelos de atmósferas…………… 40
Figura 2.15: Razón de la transmisión de la radiación ultravioleta a la total
para diferentes espesores de las nubes ( ) ………………………………………………………………….43 c
Figura 2.16.: Dependencia de la Radiación Ultravioleta directa con respecto a la
altitud…………………………………………………………………………………………………………….………………….44
Figura 2.17.: Dependencia de la Radiación Ultravioleta difusa con respecto a la
altitud………………………………………………………………………………………………………………………..………45
Figura 2.18.: Efecto del albedo sobre la radiación eritemática para cielos
despejados…………………………………………………………………………………………………………………………47
Figura 2.19.: Distribución espectral en superficie para cielos claros, sin aerosoles
y albedo superficial de 0.1……………………………………………………………………………………………….47
Figura 3.1.: Geometría básica de un pirheliómetro…………………………………………………………51
Figura 3.2.:Esquema de un piranómetro Eppley PSP………………………………………………………53
Figura 3.3.:Piranómetros con distintos dispositivos de sombra para medida de la
radiación difusa…………………………………………………………………………………………………………………53
Figura 3.4.: Piranómetro……………………………………………………………………………………………….…57
Figura 3.5.: Termopila………………………………………………………………………………………………………57
Figura 3.6.: Piranómetro Middleton modelo EP-07………………………………………………………….58
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