En radiometría , la irradiancia es el flujo radiante ( potencia ) recibido por 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 usa a menudo en astronomía . La irradiancia a menudo se llama intensidad , pero este término se evita en radiometría donde tal uso conduce a la confusión con la intensidad radiante . En astrofísica, la irradiancia se llamaflujo 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 en función de la frecuencia o de la longitud de onda. Las dos formas tienen diferentes dimensiones : la irradiancia espectral de un espectro de frecuencia se mide en vatios por metro cuadrado por hertz (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" para "energético", para evitar confusión con cantidades fotométricas ), se define como [2]
dónde
- ∂ es el símbolo de derivada parcial ;
- Φ e es el flujo radiante recibido;
- A es el área.
Si queremos hablar del flujo radiante emitido por una superficie, hablamos de salida 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 la 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, de acuerdo con la definición de flujo radiante , igual al tiempo promedio de la componente del vector de Poynting perpendicular a la superficie:
dónde
- ⟨•⟩ es el tiempo promedio;
- S es el vector de Poynting;
- α es el ángulo entre un vector unidad normal de la superficie y S .
Para una onda plana electromagnética polarizada linealmente sinusoidal que se propaga , el vector de Poynting siempre apunta a la dirección de propagación mientras oscila en magnitud. La irradiancia de una superficie viene dada por [3]
dónde
- E m es la amplitud del campo eléctrico de la onda;
- n es el índice de refracción del medio de propagación;
- c es la velocidad de la luz en el vacío ;
- μ 0 es la permeabilidad al vacío ;
- ε 0 es la permitividad del vacío .
Esta fórmula supone que la susceptibilidad magnética es despreciable, es decir, que μ r ≈ 1 donde μ r es la permeabilidad magnética del medio de propagación. Esta suposición suele ser válida en medios transparentes en el rango de frecuencia óptica .
Energía solar
La irradiancia global sobre una superficie horizontal de la Tierra consiste en 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 del suelo promedio es aproximadamente el 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]
Unidades de radiometría SI
Cantidad | Unidad | Dimensión | Notas | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Nombre | Símbolo [nb 1] | Nombre | Símbolo | Símbolo | ||||
Energía radiante | Q e [nb 2] | joule | J | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Energía de radiación electromagnética. | |||
Densidad de energía radiante | w correo | julio por metro cúbico | J / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | Energía radiante por unidad de volumen. | |||
Flujo radiante | Φ e [nb 2] | vatio | W = J / s | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. A esto a veces también se le llama "energía radiante". | |||
Flujo espectral | Φ e, ν [nb 3] | vatios por hercio | W / Hz | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm −1 . | |||
Φ e, λ [nb 4] | vatio por metro | W / m | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
Intensidad radiante | Yo e, Ω [nb 5] | vatio por estereorradián | W / sr | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Esta es una cantidad direccional . | |||
Intensidad espectral | Yo e, Ω, ν [nb 3] | vatios por estereorradián por hertz | W⋅sr −1 ⋅Hz −1 | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr −1 ⋅nm −1 . Esta es una cantidad direccional . | |||
Yo e, Ω, λ [nb 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. Esta es una cantidad direccional . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad". | |||
Radiación espectral | L e, Ω, ν [nb 3] | vatios por estereorradián por metro cuadrado por hertz | W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Radiación de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅nm −1 . Esta es una cantidad direccional . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". | |||
L e, Ω, λ [nb 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 / m 2 | M ⋅ T −3 | Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad". | |||
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral | E e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hertz | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral no pertenecientes al SI incluyen jansky (1 Jy = 10 −26 W⋅m −2 ⋅Hz −1 ) y la unidad de flujo solar (1 sfu = 10 −22 W⋅m −2 ⋅Hz −1 = 10 4 Jy). | |||
E e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Radiosidad | J e [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W / m 2 | M ⋅ T −3 | Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido por) una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad". | |||
Radiosidad espectral | J e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hertz | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". | |||
J e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Exitance radiante | M e [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W / m 2 | 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 esto a veces también se le llama confusamente "intensidad". | |||
Exitancia espectral | M e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hertz | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Exitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". | |||
M e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Exposición radiante | H e | julio por metro cuadrado | J / m 2 | M ⋅ T −2 | Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalentemente irradiancia de una superficie integrada en el tiempo de irradiación. A esto a veces también se le llama "fluencia radiante". | |||
Exposición espectral | H e, ν [nb 3] | julio por metro cuadrado por hertz | J⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −1 | Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m −2 ⋅nm −1 . A esto a veces también se le llama "fluencia espectral". | |||
Él , λ [nb 4] | julio por metro cuadrado, por metro | J / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | |||||
Emisividad hemisférica | ε | N / A | 1 | Exitancia radiante de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Emisividad hemisférica espectral | ε ν o ε λ | N / A | 1 | Exitancia espectral de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Emisividad direccional | ε Ω | N / A | 1 | Radiancia emitida por una superficie , dividida por la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Emisividad direccional espectral | ε Ω, ν o ε Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral emitida por una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Absortancia hemisférica | A | N / A | 1 | Flujo radiante absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ". | ||||
Absortancia hemisférica espectral | A ν o A λ | N / A | 1 | Flujo espectral absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ". | ||||
Absortancia direccional | A Ω | N / A | 1 | Resplandor absorbido por una superficie , dividido por el resplandor que incide sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ". | ||||
Absortancia direccional espectral | A Ω, ν o A Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral absorbida por una superficie , dividida por la radiación espectral incidente sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ". | ||||
Reflectancia hemisférica | R | N / A | 1 | Flujo radiante reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Reflectancia hemisférica espectral | R ν o R λ | N / A | 1 | Flujo espectral reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Reflectancia direccional | R Ω | N / A | 1 | Radiación reflejada por una superficie , dividida por la que recibe esa superficie. | ||||
Reflectancia direccional espectral | R Ω, ν o R Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral reflejada por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||||
Transmitancia hemisférica | T | N / A | 1 | Flujo radiante transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Transmitancia hemisférica espectral | T ν o T λ | N / A | 1 | Flujo espectral transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Transmitancia direccional | T Ω | N / A | 1 | Radiancia transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||||
Transmitancia direccional espectral | T Ω, ν o T Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||||
Coeficiente de atenuación hemisférico | μ | metro recíproco | m −1 | L −1 | Flujo radiante absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. | |||
Coeficiente de atenuación hemisférica espectral | μ ν o μ λ | metro recíproco | m −1 | L −1 | Flujo radiante espectral absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. | |||
Coeficiente de atenuación direccional | μ Ω | metro recíproco | m −1 | L −1 | Resplandor absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. | |||
Coeficiente de atenuación direccional espectral | μ Ω, ν o μ Ω, λ | metro recíproco | m −1 | L −1 | Radiación espectral absorbida y dispersada por un volumen por unidad de longitud, dividida por la recibida por ese volumen. | |||
Ver también: SI · Radiometría · Fotometría |
- ^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades radiométricasse denoten con el sufijo "e" (de "energético") para evitar confusiones concantidadesfotométricas o de fotones .
- ^ a b c d e Símbolos alternativos que a veces se ven: W o E para energía radiante, P o F para flujo radiante, I para irradiancia, W para salida radiante.
- ^ a b c d e f g Las cantidades espectrales dadas por unidad de frecuencia se indican con el sufijo " ν " (griego), que no debe confundirse con el sufijo "v" (para "visual") que indica una cantidad fotométrica.
- ^ a b c d e f g Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se indican con el sufijo " λ " (griego).
- ^ a b Las cantidades direccionales se indican con el sufijo " Ω " (griego).
Ver también
- Albedo
- Fluencia
- Iluminancia
- Insolación
- Difusión de luz
- Curva PI ( curva de fotosíntesis-irradiancia)
- Ángulo azimutal solar
- Radiacion solar
- Mediodía solar
- Densidad de flujo espectral
- Ley de Stefan-Boltzmann
Referencias
- ↑ Carroll, Bradley W. (7 de septiembre de 2017). Introducción a la astrofísica moderna . pag. 60. ISBN 978-1-108-42216-1. OCLC 991641816 .
- ^ a b c "Aislamiento térmico - Transferencia de calor por radiación - Cantidades físicas y definiciones" . ISO 9288: 1989 . Catálogo ISO . 1989 . Consultado el 15 de marzo de 2015 .
- ^ Griffiths, David J. (1999). Introducción a la electrodinámica (3. ed., Reimpresión. Con corr. Ed.). Upper Saddle River, Nueva Jersey [ua]: Prentice-Hall . ISBN 0-13-805326-X.
- ^ a b Quaschning, Volker (2003). "Fundamentos de la tecnología: el sol como recurso energético" . Mundo de las energías renovables . 6 (5): 90–93.
- ^ 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 .