INTRODUCCIONLas leyes físicas y las ecuaciones matemáticas que gobiernan el movimiento de los fluidos se conocen bien desde hace más de un siglo. Incorporan principios de conservación de momento, masa, energía y agua y tienen en cuenta las leyes de la mecánica aplicadas a un fluido en una esfera en rotación, así como leyes de termodinámica, radiación y comportamiento de los gases. Se conocen el tamaño de la Tierra, su velocidad de rotación, la geografía y la topografía, así como las variaciones diarias y estaciónales de la radiación solar incidente. Otros factores que deben tenerse en cuenta son la reflectividad de la superficie (albedo), los fenómenos de fusión y evaporación, la presencia de nubes, la lluvia, el rozamiento y las temperaturas oceánicas. Muchos de estos factores varían durante el periodo cubierto por la previsión y deben actualizarse.
ALBEDO
El albedo es la medida que nos indica la cantidad de luz reflejado por una superficie.
Puede haber diferencias de 2 al 90 % según el material y el angulo de incidencia de los rayos.
Una simple alteración de la cubierta del suelo afecta el albedo superficial asi como los cambios en el clima que provocan una retroalimentación en el cambio del albedo.
Se ha previsto que el futuro de la tierra es un cambio sustancial en el albedo, es decir la elevación de este.
Porcentaje de flujo luminoso reflejado o difundido por un cuerpo en relación con el flujo luminoso incidente. Esta magnitud fue introducida por el astrónomo estadounidense W. C. Bond. Un cuerpo negro tienen un albedo nulo. Se aplica especialmente en astronomía a la reflexión de la luz por parte de los cuerpos celestes. Se mide con un número comprendido entre 0 y 1, después de haberse establecido que 0 es el albedo de un cuerpo que no refleja luz ninguna y 1 es el albedo de un cuerpo que refleja toda la luz incidente. El albedo de la nieve es próximo a 1 mientras que el del carbón es próximo a 0,05. En el caso de un suelo iluminado, se tienen los siguientes valores: 10% para el suelo árido, arena seca 20%, bosque verde 10% y, finalmente, en el caso de aparecer nieve fresca 80%-85%.
El albedo de la Tierra es aproximadamente del 30%; varía desde el 5% en la superficie de los océanos con tiempo despejado hasta el 85% en las regiones recubiertas de nubes espesas o de nieve. Esto hace que el albedo tenga implicaciones en climatología. Sin embargo, el continente participa en el clima por otros canales. Uno muy importante es su color (propiamente, albedo), pues de él depende la cantidad de radiación solar absorbida por el suelo, que lo calienta y luego también calienta al aire. Otro proceso climático en que la tierra desempeña un papel relevante es el intercambio de humedad. El continente (sobre todo su cubierta vegetal) suministra vapor a la atmósfera; asimismo absorbe agua (aportada por la precipitación), fundamental para la vegetación (agrícola y silvestre). Además, la humedad del suelo influye en el albedo superficial de dos maneras: una directa, que consiste en que la tierra desnuda se oscurece cuando se moja y una indirecta al propiciar que surja vegetación, lo que también altera el albedo Antes de continuar, definamos formalmente el albedo: es la fracción de la radiación incidente que refleja una superficie; en cuerpos opacos se absorbe el resto. Pero cuando se trata de un cuerpo parcial o totalmente transparente, como la atmósfera, a lo reflejado y lo absorbido hay que agregar lo transmitido. Por ej., el parabrisas de un coche, rebota hacia fuera parte de la radiación que recibe, deja pasar al interior otra porción y el resto se queda en el vidrio y lo calienta. En el clima tenemos que el continente, el océano, la criosfera y las nubes bajas son opacos y no trasmiten la radiación; en estos casos lo absorbido sí es la resta de lo incidente menos lo reflejado.
Sólo la parte absorbida de la radiación calienta a un cuerpo; ni lo reflejado ni lo trasmitido lo hacen. Por lo tanto, entre menor sea su albedo (etimológicamente "blancura"), un cuerpo que recibe radiación eleva más su temperatura. Por eso, cuando traemos ropa oscura sentimos más los rayos solares; y un auto negro (de albedo casi 0) expuesto al Sol se calienta más que uno blanco (de albedo cercano a 100%).
Venus tiene un albedo elevado, del orden del 60%, característico de un gran poder reflector que se debe probablemente a una espesa capa de nubes o de hielo. El albedo muy débil de la Luna, alrededor del 8%, corresponde a un suelo recubierto de finos polvos oscuros. Los asteroides rojizos y de brillo moderado tienen un albedo que varía entre el 10% y el 25%, mientras que el de los asteroides oscuros es inferior al 10%. El albedo de las partículas de polvo interestelares es de un cincuenta por ciento. La Luna Aunque aparece brillante a simple vista, sólo refleja en el espacio alrededor del 7% de la luz que recibe del Sol. Este poder de reflexión, o albedo, es similar al del polvo de carbón. Neptuno (planeta), El albedo del planeta es alto: refleja el 84% de la luz que recibe.
Mediante satélites en órbita se ha medido el albedo de muchas zonas de la Tierra, el promedio es de un 33% y que varía desde el 5% en la superficie de los océanos con tiempo despejado hasta el 85% en las regiones recubiertas de nubes espesas o de nieve. El albedo de las nubes es extremadamente variable respecto a su espesor y conformación. La Luna, por ejemplo, tiene un albedo muy débil, alrededor del 10%, que se corresponde con un suelo recubierto de polvo oscuro y una atmósfera de características muy tenues. Venus tiene un albedo del 76% elevado, que se debe probablemente a una espesa capa de nubes o de hielo. Los asteroides rojizos tienen un albedo que varía entre el 10% y el 25%, mientras que el de los asteroides oscuros es inferior al 10%. El albedo de las partículas de polvo interestelares es de un 50%. La superficie de Mercurio muestra un poder reflector o albedo del 8% muy parecido al lunar. Dione tiene un albedo mucho más elevado, próximo al 30%.
CLASES DE ALBEDO1. Albedo normal o reflectancia
Es una medida del brillo relativo de una superficie cuando ésta está iluminada y observada desde un ángulo normal a la superficie. En astronomía se emplea para determinar el tipo de composición superficial de planetas, satélites y demás asteroides. El brillo aparente de estos objetos depende de su albedo junto con el diámetro y distancia, ya que dos cuerpos del mismo diámetro, situados a la misma distancia, pueden aparecer muy diferentes en función de su albedo
2. Albedo Bond
Se define como la relación entre la energía luminosa total reflejada por un cuerpo planetario al espacio y la recibida del Sol. Su nombre proviene del astrónomo americano George P. Bond, que fue el primero en publicar en 1861 un estudio comparativo de los brillos del Sol, la Luna y Júpiter. El albedo Bond, que normalmente es menor que la reflectividad, es una medida del balance energético de un objeto planetario y se calcula sobre todo el espectro de una radiación, por lo que depende de la distribución de longitudes de onda de la radiación incidente. El albedo de un planeta o de un satélite varía, obviamente, de una zona a otra según la naturaleza de su superficie.
3. Albedo geométrico
Relación entre el brillo de un cuerpo planetario visto desde la dirección del Sol y una esfera blanca hipotética del mismo diámetro situada a la misma distancia.
4. Albedo hemisférico
Fracción de la luz incidente difundida por una superficie en función del ángulo de incidencia.
FACTORES QUE DETERMINAN EL EFECTO ALBEDO
Luz como principal factor que determina el efecto de albedo ya que este efecto el la consecuencia de de la refleccion de la luz
NATURALEZA DE LA LUZ
La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un espejo.
La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio.
En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de partículas y en otros como una onda. En las situaciones en que la luz presenta movimiento ondulatorio, la onda vibra perpendicular a la dirección de propagación; por eso, la luz puede polarizarse en dos ondas perpendiculares entre sí
La óptica fue otra área por la que Newton demostró interés muy pronto. Al tratar de explicar la forma en que surgen los colores llegó a la idea de que la luz del Sol es una mezcla heterogénea de rayos diferentes representando cada uno de ellos un color distinto y que las reflexiones y refracciones hacen que los colores aparezcan al separar la mezcla en sus componentes. Newton demostró su teoría de los colores haciendo pasar un rayo de luz solar a través de un prisma, el cual dividió el rayo de luz en colores independientes.
Las leyes de reflexión y refracción de la luz suelen deducirse empleando la teoría ondulatoria de la luz introducida en el siglo XVII por el matemático, astrónomo y físico holandés Christiaan Huygens. El principio de Huygens afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. Con ello puede definirse un nuevo frente de onda que envuelve las ondas secundarias. Como la luz avanza en ángulo recto a este frente de onda, el principio de Huygens puede emplearse para deducir los cambios de dirección de la luz.
Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte en una fuente de dos conjuntos de ondas. El conjunto reflejado vuelve al primer medio, y el conjunto refractado entra en el segundo medio. El comportamiento de los rayos reflejados y refractados puede explicarse por el principio de Huygens. Es más sencillo, y a veces suficiente, representar la propagación de la luz mediante rayos en vez de ondas. El rayo es la línea de avance, o dirección de propagación, de la energía radiante y, por tanto, perpendicular al frente de onda. En la óptica geométrica se prescinde de la teoría ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta. La trayectoria de los rayos a través de un sistema óptico se determina aplicando las leyes de reflexión y refracción.
Reflexión.
Fenómeno característico de la propagación por ondas, que se produce cuando un rayo choca contra una superficie formando un ángulo Y (llamado ángulo de incidencia) con la normal a la superficie y es rechazado en un dirección dada por el ángulo de reflexión. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie pertenecen al mismo plano. En caso de que el rayo incida perpendicularmente es reflejado en la misma dirección de incidencia. El fenómeno de la reflexión ocurre con la luz visible, con las ondas sonoras, con las microondas, con los rayos X, etc., pero las modalidades con las que se manifiestan son diferentes al variar la longitud de onda de la radiación incidente.
Reflexión total
Fenómeno que se manifiesta para un rayo luminoso en el paso de un medio más refringente a otro medio menos refringente. Mediante la ley de Snell el ángulo en que comienza la reflexión total se llama ángulo límite.
Propiedad del movimiento ondulatorio por la que una onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie. Cuando una forma de energía (como la luz o el sonido) se transmite por un medio y llega a un medio diferente, lo normal es que parte de la energía penetre en el segundo medio y parte sea reflejada.
La reflexión regular (en la que la dirección de la onda reflejada está claramente determinada) cumple dos condiciones: el rayo incidente y el rayo reflejado forman el mismo ángulo con la normal (una línea perpendicular a la superficie reflectante en el punto de incidencia), y el rayo reflejado está en el mismo plano que contiene el rayo incidente y la normal. Los ángulos que forman los rayos incidente y reflejado con la normal se denominan respectivamente ángulo de incidencia y ángulo de reflexión. Las superficies rugosas reflejan en muchas direcciones, y en este caso se habla de reflexión difusa.
Para reflejar un tren de ondas, la superficie reflectante debe ser más ancha que media longitud de onda de las ondas incidentes. Por ejemplo, un pilote que sobresale de la superficie del mar puede reflejar pequeñas ondulaciones, mientras que las olas de gran tamaño pasan alrededor de él. En la atmósfera, algunas partículas pequeñas de polvo reflejan sólo las longitudes de onda más cortas de la luz solar, correspondientes a los tonos azules.
Cuando un rayo de Sol penetra en una gota de lluvia se refracta (o desvía) en ella y se refleja en su interior de tal forma que aparece un espectro de colores. Sin embargo, sólo pueden verse cuando el ángulo de reflexión entre el Sol, la gota de agua y la línea de visión del observador se sitúa entre 40° y 42°. Este se llama Arco iris, arco luminoso que muestra los colores del espectro dispuestos ordenadamente;. En el arco más brillante, el primario, que muchas veces es el único visible, los colores se disponen con el rojo en el lado externo. Sobre este arco perfecto hay otro secundario donde los colores están en orden inverso; este arco es más apagado porque se produce tras una reflexión doble en el interior de las gotas.
Las nubes desempeñan una función muy importante, ya que modifican la distribución del calor solar sobre la superficie terrestre y en la atmósfera. En general, ya que la reflexión de la parte superior de las nubes es mayor que la de la superficie de la Tierra, la cantidad de energía solar reflejada al espacio es mayor en días nublados. Aunque la mayor parte de la radiación solar es reflejada por las capas superiores de las nubes, algo de radiación penetra hasta la superficie terrestre, que la absorbe y la emite de nuevo. La parte inferior de las nubes es opaca para esta radiación terrestre de onda larga y la refleja de vuelta a la Tierra.
El resultado es que la atmósfera inferior absorbe, en general, más energía calorífica en días nublados por la presencia de esta radiación atrapada. Por el contrario, en una día claro la superficie de la Tierra absorbe inicialmente más radiación solar, pero esta energía se disipa muy rápido por la ausencia de nubes. Sin considerar otros efectos meteorológicos relacionados, la atmósfera absorbe menos radiación en días claros que en días nublados.
Índice de refracción
El índice de refracción de una sustancia o un medio transparente, es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la sustancia o el medio transparente.
Este número, mayor que la unidad y sin unidades, es una constante característica de cada medio y representa el número de veces que es mayor la velocidad de la luz en el vacío que en ese medio.
El índice de refracción se mide con un aparato llamado refractómetro en el que se compara el ángulo de incidencia con el ángulo de refracción de la luz de una longitud de onda específica
Como el índice de refracción es sensible a los cambios de temperatura y varía con la longitud de onda de la luz, deben especificarse ambas variables al expresar el índice de refracción de una sustancia.
Espectro.
Serie de colores semejante a un arco iris por este orden: violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo que se produce al dividir una luz compuesta como la luz blanca en sus colores constituyentes. El arco iris es un espectro natural producido por fenómenos meteorológicos. Puede lograrse un efecto similar haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio. La primera explicación correcta de este fenómeno la dio en 1666 el matemático y físico británico Isaac Newton.
Cuando un rayo de luz pasa de un medio transparente como el aire a otro medio transparente, por ejemplo vidrio o agua, el rayo se desvía; al volver a salir al aire vuelve a desviarse. Esta desviación se denomina refracción; la magnitud de la refracción depende de la longitud de onda de la luz. La luz violeta, por ejemplo, se desvía más que la luz roja al pasar del aire al vidrio o del vidrio al aire. Así, una mezcla de luces roja y violeta se dispersa al pasar por un prisma en forma de cuña y se divide en dos colores
Fibra óptica.
Fibra o varilla de vidrio u otro material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.
El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.
Birrefringencia, o doble refracción.
Fenómeno descubierto en el espato de Islandia por Erasmus Bartholin en 1669, y que consiste en que un haz luminoso, estrecho y monocromático, al penetrar en ciertos materiales da lugar simultáneamente a dos haces refractados distintos. Los medios que poseen esta propiedad se llaman birrefringentes. Los sólidos cristalinos, salvo los del sistema cúbico, son birrefringentes.
Este fenómeno es debido a que los medios birrefringentes son ópticamente anisótropos (véase Anisotropía) y en ellos la luz se propaga con una velocidad que no sólo depende de su longitud de onda, sino también de su dirección de propagación. Los rayos obtenidos por doble refracción transportan ambos luz polarizada.
En un cristal uniáxico, uno de los rayos, el que obedece aparentemente las leyes de la refracción, y que recibe el nombre de rayo ordinario, propaga luz que vibra perpendicularmente al plano de la sección principal del cristal, mientras que el otro, llamado rayo extraordinario, transporta una vibración situada en el plano de la sección principal.
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia (véase figura 1).
Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.
1. LEY DE SNELL Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección.
Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está en realidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado desde encima del agua, como se muestra en la figura 3 (sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad). El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía alejándose de la normal, hacia el punto A. Por ello, el objeto parece situado en C, donde la línea ABC intersecta una línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa por D.
En la figura 4 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.
2. PRISMAS
Cuando la luz atraviesa un prisma un objeto transparente con superficies planas y pulidas no paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro. En la figura 5, el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente y la trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede demostrarse que cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma.
3. ÁNGULO CRÍTICO
Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 6 muestran la refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.
La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos.
Bibliografia: Enciclopedia Microsoft® Encarta
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