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Intensidad de la radiación térmica de onda larga de la Tierra , procedente de las nubes, la atmósfera y la superficie.

El enfriamiento radiativo [1] es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica . Como describe la ley de Planck , todo cuerpo físico emite radiación electromagnética de forma espontánea y continua .

Enfriamiento radiativo terrestre [ editar ]

Mecanismo [ editar ]

La radiación infrarroja puede atravesar aire seco y claro en un rango de longitud de onda de 8 a 13 µm. Los materiales que pueden absorber energía e irradiarla en esas longitudes de onda exhiben un fuerte efecto de enfriamiento. Los materiales que también pueden reflejar el 95% o más de la luz solar en el rango de 200 nanómetros a 2.5 µm pueden exhibir enfriamiento incluso bajo la luz solar directa. [2]

Presupuesto energético de la Tierra [ editar ]

Más información: presupuesto energético de la Tierra

El sistema Tierra-atmósfera utiliza enfriamiento radiativo para emitir radiación de onda larga ( infrarroja ) para equilibrar la absorción de energía de onda corta (luz visible) del sol.

El transporte convectivo de calor y el transporte evaporativo de calor latente son importantes para eliminar el calor de la superficie y distribuirlo en la atmósfera. El transporte radiativo puro es más importante más arriba en la atmósfera. Las variaciones diurnas y geográficas complican aún más el panorama.

La circulación a gran escala de la atmósfera de la Tierra está impulsada por la diferencia en la radiación solar absorbida por metro cuadrado, ya que el sol calienta más la Tierra en los Trópicos , principalmente debido a factores geométricos. La circulación atmosférica y oceánica redistribuye parte de esta energía como calor sensible y calor latente en parte a través del flujo medio y en parte a través de remolinos, conocidos como ciclones en la atmósfera. Así, los trópicos irradian menos al espacio de lo que lo harían si no hubiera circulación, y los polos irradian más; sin embargo, en términos absolutos, los trópicos irradian más energía al espacio.

Refrigeración superficial nocturna [ editar ]

El enfriamiento radiativo se experimenta comúnmente en noches despejadas, cuando el calor se irradia al espacio desde la superficie de la Tierra o desde la piel de un observador humano. El efecto es bien conocido entre los astrónomos aficionados . El efecto se puede experimentar comparando la temperatura de la piel al mirar hacia arriba en un cielo nocturno sin nubes durante varios segundos, con la que se observa después de colocar una hoja de papel entre la cara y el cielo. Dado que el espacio exterior irradia aproximadamente a una temperatura de 3 kelvin (−270 grados Celsius o −450 grados Fahrenheit ), y la hoja de papel irradia aproximadamente 300 kelvins (temperatura ambiente), la hoja de papel irradia más calor.a la cara que el cosmos oscurecido. El efecto es mitigado por la atmósfera circundante de la Tierra, y particularmente por el vapor de agua que contiene, por lo que la temperatura aparente del cielo es mucho más cálida que la del espacio exterior. La sábana no bloquea el frío; en cambio, la sábana refleja el calor hacia la cara e irradia el calor de la cara que acaba de absorber.

El mismo mecanismo de enfriamiento radiativo puede hacer que se forme escarcha o hielo negro en las superficies expuestas al cielo nocturno despejado, incluso cuando la temperatura ambiente no desciende por debajo del punto de congelación.

Estimación de Kelvin de la edad de la Tierra [ editar ]

Más información: Edad de la Tierra

El término enfriamiento radiativo se usa generalmente para procesos locales, aunque los mismos principios se aplican al enfriamiento durante el tiempo geológico, que fue utilizado por primera vez por Kelvin para estimar la edad de la Tierra (aunque su estimación ignoró el calor sustancial liberado por la desintegración de radioisótopos, no conocido en ese momento, y los efectos de la convección en el manto).

Astronomía [ editar ]

El enfriamiento radiativo es una de las pocas formas en que un objeto en el espacio puede emitir energía. En particular, las estrellas enanas blancas ya no generan energía por fusión o contracción gravitacional y no tienen viento solar. Entonces, la única forma en que cambia su temperatura es mediante enfriamiento radiativo. Esto hace que su temperatura en función de la edad sea muy predecible, por lo que al observar la temperatura, los astrónomos pueden deducir la edad de la estrella. [3] [4]

Aplicaciones [ editar ]

Fabricación nocturna de hielo en la India e Irán [ editar ]

En la India, antes de la invención de la tecnología de refrigeración artificial, era común la fabricación de hielo mediante enfriamiento nocturno. El aparato consistía en una bandeja de cerámica poco profunda con una fina capa de agua, colocada al aire libre con una clara exposición al cielo nocturno. El fondo y los lados se aislaron con una gruesa capa de heno. En una noche clara, el agua perdería calor por radiación hacia arriba. Siempre que el aire estuviera en calma y no muy por encima del punto de congelación, la ganancia de calor del aire circundante por convección fue lo suficientemente baja como para permitir que el agua se congelara. [5] [6] En Irán se utilizó una técnica similar. [7]

Arquitectura [ editar ]

Los techos fríos combinan una alta reflectancia solar con una alta emisión de infrarrojos , lo que reduce simultáneamente la ganancia de calor del sol y aumenta la eliminación de calor a través de la radiación. La refrigeración radiativa ofrece, por tanto, potencial para la refrigeración pasiva para edificios residenciales y comerciales. [8] Las superficies de construcción tradicionales, como los revestimientos de pintura, el ladrillo y el hormigón, tienen altas emisiones de hasta 0,96. [9] En consecuencia, irradian calor al cielo para enfriar pasivamente los edificios durante la noche. Si se hacen lo suficientemente reflectantes a la luz solar, estos materiales también pueden lograr un enfriamiento radiativo durante el día.

Los enfriadores radiativos más comunes que se encuentran en los edificios son los revestimientos de pintura blanca para techos fríos, que tienen reflectancias solares de hasta 0,94 y emisiones térmicas de hasta 0,96. [10] La reflectancia solar de las pinturas surge de la dispersión óptica de los pigmentos dieléctricos incrustados en la resina de pintura polimérica, mientras que la emitancia térmica proviene de la resina polimérica. Sin embargo, debido a que los pigmentos blancos típicos como el dióxido de titanio y el óxido de zinc absorben la radiación ultravioleta, las reflectancias solares de las pinturas basadas en dichos pigmentos no superan el 0,95.

En 2014, los investigadores desarrollaron el primer enfriador radiativo diurno utilizando una estructura fotónica térmica de múltiples capas que emite selectivamente radiación infrarroja de longitud de onda larga al espacio y puede lograr un enfriamiento subambiental de 5 ° C bajo la luz solar directa. [11] Investigadores posteriores desarrollaron recubrimientos poliméricos porosos que se pueden pintar, cuyos poros dispersan la luz solar para dar una reflectancia solar de 0,96 a 0,99 y una emitancia térmica de 0,97. [12] En experimentos bajo luz solar directa, los recubrimientos alcanzan temperaturas sub-ambientales de 6 ° C y potencias de enfriamiento de 96 W / m 2 .

Otras estrategias notables de enfriamiento radiativo incluyen películas dieléctricas sobre espejos de metal, [13] y polímeros o compuestos poliméricos sobre películas de plata o aluminio. [14] En 2015 se informaron películas de polímero plateado con reflectancias solares de 0,97 y emitancia térmica de 0,96, que permanecen 11 ° C más frías que las pinturas blancas comerciales bajo el sol de mediados de verano. [15] Los investigadores exploraron diseños con dióxido de silicio dieléctrico o Partículas de carburo de silicio incrustadas en polímeros que son translúcidas en las longitudes de onda solares y emisoras en el infrarrojo. [16] [17] En 2017, se informó un ejemplo de este diseño con microesferas de sílice polar resonantes incrustadas al azar en una matriz polimérica.[18] El material es traslúcido a la luz solar y tiene una emisividad infrarrojade 0,93 en la ventana de transmisión atmosférica infrarroja. Cuando estaba respaldado con un recubrimiento de plata, el material logró una potencia de enfriamiento radiativo al mediodía de 93 W / m 2 bajo la luz solar directa junto con una fabricación económica de rollo a rollo de alto rendimiento.

Escudos térmicos [ editar ]

Los recubrimientos de alta emisividad que facilitan el enfriamiento radiativo pueden usarse en sistemas de protección térmica reutilizables (RTPS) en naves espaciales y aeronaves hipersónicas . En tales escudos térmicos se aplica un material de alta emisividad, como disilicida de molibdeno (MoSi 2 ) sobre un sustrato cerámico térmicamente aislante. [19] En tales escudos térmicos , es necesario mantener altos niveles de emisividad total , típicamente en el rango de 0,8 a 0,9, en un rango de altas temperaturas. Ley de planckdicta que a temperaturas más altas, el pico de emisión radiativa se desplaza a longitudes de onda más bajas (frecuencias más altas), lo que influye en la selección del material en función de la temperatura de funcionamiento. Además del enfriamiento radiativo eficaz, los sistemas de protección térmica radiativa deben proporcionar tolerancia al daño y pueden incorporar funciones de autocuración mediante la formación de un vidrio viscoso a altas temperaturas.

Ver también [ editar ]

  • Escudo térmico
  • Reflector solar óptico , utilizado para el control térmico de naves espaciales.
  • Refrigeración pasiva
  • Forzamiento radiativo
  • Ley de Stefan-Boltzmann
  • Efecto albedo terrestre
  • Isla de calor urbano
  • Pluma térmica urbana

Referencias [ editar ]

  1. ^ Li, Wei; Fan, Shanhui (1 de noviembre de 2019). "Enfriamiento radiativo: cosechando la frialdad del universo". Noticias de Óptica y Fotónica . 30 (11): 32. doi : 10.1364 / OPN.30.11.000032 .
  2. ↑ Lim, XiaoZhi (31 de diciembre de 2019). "Los materiales superfrescos que envían calor al espacio" . Naturaleza . 577 (7788): 18-20. doi : 10.1038 / d41586-019-03911-8 . PMID 31892746 . 
  3. ^ Mestel, L. (1952). "Sobre la teoría de las estrellas enanas blancas. I. Las fuentes de energía de las enanas blancas" . Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 112 (6): 583–597. Código Bibliográfico : 1952MNRAS.112..583M . doi : 10.1093 / mnras / 112.6.583 .
  4. ^ "Enanas blancas de enfriamiento" (PDF) .
  5. ^ "Lección 1: Historia de la refrigeración, versión 1 ME" (PDF) . Instituto Indio de Tecnología Kharagpur . Archivado desde el original (PDF) el 16 de diciembre de 2011.
  6. ^ "XXII. El proceso de fabricación de hielo en las Indias Orientales. Por Sir Robert Barker, FRS en una carta al Dr. Brocklesby" . Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 65 : 252-257. 1997. doi : 10.1098 / rstl.1775.0023 . JSTOR 106193 . 
  7. ^ "La casa de hielo persa, o cómo hacer hielo en el desierto" . Estudio de campo del mundo . 2016-04-04 . Consultado el 28 de abril de 2019 .
  8. ^ Hossain, Md Muntasir; Gu, Min (4 de febrero de 2016). "Enfriamiento radiativo: principios, avances y potenciales" . Ciencia avanzada . 3 (7): 1500360. doi : 10.1002 / advs.201500360 . PMC 5067572 . PMID 27812478 .  
  9. ^ "Materiales de coeficientes de emisividad" . www.engineeringtoolbox.com . Consultado el 23 de febrero de 2019 .
  10. ^ "Encontrar productos clasificados - Consejo de calificación de techo fresco" . coolroofs.org . Consultado el 23 de febrero de 2019 .
  11. ^ Raman, Aaswath P .; Anoma, Marc Abou; Zhu, Linxiao; Rephaeli, Edén; Fan, Shanhui (noviembre de 2014). "Enfriamiento radiativo pasivo por debajo de la temperatura ambiente bajo luz solar directa". Naturaleza . 515 (7528): 540–544. Código bibliográfico : 2014Natur.515..540R . doi : 10.1038 / nature13883 . PMID 25428501 . 
  12. ^ Mandal, Jyotirmoy; Fu, Yanke; Overvig, Adam; Jia, Mingxin; Sun, Kerui; Shi, Norman Nan; Yu, Nanfang; Yang, Yuan (19 de octubre de 2018). "Recubrimientos poliméricos jerárquicamente porosos para un enfriamiento radiativo diurno pasivo de alta eficiencia" . Ciencia . 362 (6412): 315–319. Código bibliográfico : 2018Sci ... 362..315M . doi : 10.1126 / science.aat9513 . PMID 30262632 . 
  13. ^ Granqvist, CG; Hjortsberg, A. (junio de 1981). "Enfriamiento radiativo a bajas temperaturas: Consideraciones generales y aplicación a películas de SiO emisoras selectivas". Revista de Física Aplicada . 52 (6): 4205–4220. Código bibliográfico : 1981JAP .... 52.4205G . doi : 10.1063 / 1.329270 .
  14. ^ Grenier, Ph. (Enero de 1979). "Réfrigération radiative. Effet de serre inverse" . Revue de Physique Appliquée . 14 (1): 87–90. doi : 10.1051 / rphysap: 0197900140108700 .
  15. ^ Gentle, Angus R .; Smith, Geoff B. (septiembre de 2015). "Una superficie de techo abierto subambiente bajo el sol de mediados de verano" . Ciencia avanzada . 2 (9): 1500119. doi : 10.1002 / advs.201500119 . PMC 5115392 . PMID 27980975 .  
  16. ^ Suave, AR; Smith, GB (10 de febrero de 2010). "Bombeo de calor radiativo desde la tierra utilizando nanopartículas resonantes de fonón de superficie". Nano Letras . 10 (2): 373–379. Código bibliográfico : 2010NanoL..10..373G . doi : 10.1021 / nl903271d . PMID 20055479 . 
  17. ^ WO 2016205717A1 , Yu, Nanfang; Mandalal, Jyotirmoy; Overvig, Adam y Shi, Norman Nan, "Sistemas y métodos de refrigeración y calefacción radiativa", publicado el 17 de junio de 2016 
  18. ^ Zhai, Yao; Ma, Yaoguang; David, Sabrina N .; Zhao, Dongliang; Lou, Runnan; Tan, Gang; Yang, Ronggui; Yin, Xiaobo (10 de marzo de 2017). "Metamaterial híbrido de vidrio-polímero aleatorio fabricado escalable para enfriamiento radiativo diurno" . Ciencia . 355 (6329): 1062–1066. Código Bibliográfico : 2017Sci ... 355.1062Z . doi : 10.1126 / science.aai7899 . PMID 28183998 . 
  19. ^ Shao, Gaofeng; et al. (2019). "Mejora de la resistencia a la oxidación de recubrimientos de alta emisividad sobre cerámica fibrosa para sistemas espaciales reutilizables". Ciencia de la corrosión . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . doi : 10.1016 / j.corsci.2018.11.006 .