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La radiación solar es el factor natural fundamental que rige el clima terrestre, siendo por tanto de vital importancia para el desarrollo de la vida en la Tierra. El conocimiento de las características de la radiación solar es importante en una amplia gama de aplicaciones como son la meteorología, la ingeniería, las ciencias agrícolas, el sector de la salud y es requerida en la investigación de numerosos campos de las ciencias naturales.
El Sol es la principal fuente de energía para todos los procesos en el sistema Tierra-atmósfera-océano, principalmente en el rango de longitud de onda corta entre 0.3 µm y 3 µm. Más del 99.9% de la energía que este sistema recibe proviene del Sol, irradiando energía en longitudes de onda cortas, predominantemente en la parte visible. Esta energía es redistribuida por las circulaciones atmosférica y oceánica, y aproximadamente una tercera parte de ella es irradiada nuevamente al espacio en longitudes de onda más largas (espectro infrarrojo). Las dos restantes terceras partes son absorbidas por la superficie y, en menor magnitud, por la atmósfera. Para equilibrar la energía entrante absorbida, la Tierra debe, como promedio, irradiar la misma cantidad de energía al espacio que recibe. La Tierra, como todo cuerpo caliente, emite radiación, pero al ser su temperatura mucho menor que la solar, emite radiación infrarroja que interacciona con los gases de efecto invernadero de la atmósfera.
Figura 1.- Balance anual de energía del sistema Tierra-atmósfera desarrollado por Trenberth, Fasullo y Kiehl (Trenberth et al., 2009) de la NCAR (National Center for
Atmospheric Research) en 2008. Actualización de su trabajo publicado en 1997 (Kiehl y
Trenberth, 1997).
En la Figura 1 se muestra el esquema de los procesos radiativos y no radiativos involucrados en el balance radiativo global de la tierra y la atmósfera.
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zonas polares se emite al espacio más radiación de la que se absorbe. Esta diferencia produce un gradiente de temperaturas en el planeta, que es la base de la circulación general de la atmósfera. Esta circulación produce el desplazamiento de grandes masas de aire que transportan el calor de latitudes bajas a latitudes altas, para compensar el déficit de radiación que reciben los polos.
Existen tres vías fundamentalmente para poder cambiar el equilibrio de radiación de la Tierra: 1) una modificación de la radiación solar incidente, por ejemplo, mediante cambios en la órbita terrestre o en las emisiones del propio Sol, 2) un cambio en la fracción de la radiación solar reflejada, por ejemplo, mediante cambios en la cobertura nubosa, en la concentración de partículas atmosféricas en el uso de la tierra o la vegetación y 3) una modificación de la radiación emitida de onda larga desde la Tierra hacia el espacio mediante un incremento en las concentraciones de gases de efecto invernadero, como está sucediendo actualmente con el denominado “calentamiento global”. En la Figura 1 se muestra el esquema de los procesos radiativos y no radiativos involucrados en el balance radiativo global de la tierra y la atmósfera. Alrededor del 30% de la luz solar que alcanza la parte superior de la atmósfera se refleja nuevamente al espacio, y aproximadamente las dos terceras partes de esta reflectividad son debidas a las nubes y a los aerosoles (IPCC, 2007a).
El estudio del clima y sus cambios requiere del uso de modelos numéricos en los que se deben tener en cuenta los factores que influyen en el mismo. La radiación solar y su interacción con los demás componentes del sistema Tierra-Atmósfera constituyen un elemento fundamental en estos modelos. Para ello la medida a gran escala de la radiación solar que llega a la Tierra es fundamental para alimentar los modelos climáticos, para lo cual se utilizan tanto redes de medida de radiación solar repartidas por el planeta, como medidas realizadas desde satélites.
Esta tesis doctoral se ha desarrollado en el marco del convenio de colaboración entre la Agencia Estatal de Meteorología y la Universidad de Valladolid para el establecimiento de metodologías y sistemas de control de calidad para los programas de fotometría, radiometría, ozono y aerosoles atmosféricos en el marco del programa de Vigilancia Atmosférica Global de la Organización Meteorológica Mundial. Uno de los objetivos de este convenio es el desarrollo de las metodologías y las aplicaciones informáticas para el establecimiento de una estación BSRN (Baseline Surface Radiation Network), tomando como estación piloto para llevar a cabo este desarrollo el Observatorio Atmosférico de Izaña, y diseñar un sistema de control de calidad de medidas de radiación solar del programa BSRN, basándonos en las comparaciones automáticas con medidas redundantes, con radiómetros similares y/o espectrorradiómetros de otras redes, y con modelos de transferencia radiativa.
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a) Desarrollar los algoritmos y las metodologías necesarias para el establecimiento de una estación BSRN, considerando los requerimientos y limitaciones impuestos por la propia Red, así como el desarrollo y aplicación de diferentes controles de calidad de las medidas experimentales comprobando que cumplen los requisitos definidos por la BSRN.
b) Conocer en detalle y con precisión las características y el comportamiento del modelo de transferencia radiativa LibRadtran frente a cambios de los diferentes parámetros atmosféricos, indagando qué factores influyen de manera más significativa en el rango espectral entre 300 nm y 2600 nm en una estación situada a nivel del mar.
c) Comparar las medidas experimentales de radiación global, directa y difusa con las simulaciones realizadas con el modelo LibRadtran para diferentes condiciones atmosféricas, tanto de medidas minutales como de valores diarios de la radiación. Esto nos permite comprobar si el modelo puede ser utilizado como una herramienta de control de calidad y para la recuperación de lagunas de datos en la estación de medida.
d) Reevaluar y reconstruir la serie de radiación global medida en la estación de Izaña entre 1992 y 2010. Analizar y estudiar la tendencia de la serie.
e) Analizar el forzamiento y la eficiencia del forzamiento radiativo de los aerosoles atmosféricos en la radiación global, directa y difusa en la estación de Izaña entre 2009 y 2010. Comparar el forzamiento y la eficiencia del forzamiento radiativo obtenido experimentalmente y el facilitado por la Red AERONET.