Radiación solar

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El efecto de escudo de la atmósfera terrestre sobre la radiación solar. La imagen de arriba es la irradiación solar anual promedio (o insolación) en la parte superior de la atmósfera terrestre (TOA); la siguiente imagen muestra la insolación anual que llega a la superficie de la tierra después de atravesar la atmósfera. Tenga en cuenta que las dos imágenes utilizan la misma escala de colores.

La radiación solar es la energía radiante emitida por el Sol en el espacio interplanetario , generada a partir de las reacciones termonucleares de fusión que tienen lugar en el núcleo solar y que producen radiación electromagnética a varias frecuencias o longitudes de onda [1] , que luego se propagan en el espacio a las velocidades típico de estas ondas , que llevan consigo la energía solar . La cantidad total de radiación emitida por el Sol en la unidad de tiempo, en la unidad de superficie y medida en los umbrales exteriores de la atmósfera terrestre , como un valor casi constante en el tiempo, se denomina constante solar .

Toda forma de vida presente en la Tierra es mantenida por el flujo de energía solar que penetra en la biosfera ; la energía utilizada para la formación y mantenimiento de biomasa es el 1% de la radiación total entrante. El intercambio de energía de la radiación solar con moléculas terrestres tendrá una influencia directa en la temperatura del aire y del suelo y por tanto en el proceso de evapotranspiración (consiste en la cantidad de agua que pasa del suelo al aire en estado de vapor debido a el efecto conjunto transpiración, a través de plantas, y evaporación, directamente del suelo), e indirectamente sobre el valor de la humedad atmosférica y sobre el movimiento de masas de aire y precipitación .

Descripción

Espectro de radiación solar en el umbral de la atmósfera terrestre.

La radiación solar no se concentra en una sola frecuencia, sino que se distribuye en un amplio espectro de frecuencias, no uniformemente, pero con la típica forma de "campana", similar al espectro del cuerpo negro , con el que se compara la fuente solar. El máximo de la radiación, medida fuera de la atmósfera terrestre (según la ley de Wien ), se centra en la banda de luz visible, que alcanza un pico en una longitud de onda de unos 500 nm , correspondiente al color cian-verde.

La banda de radiaciones fotosintéticamente activas (PAR) va de 400 a 700 nm, corresponde a la radiación visible y es igual al 41% de la radiación total. Dentro del PAR existen subbandas con radiación:

  • azul violeta , (400-490 nm), absorbido por pigmentos, con acción sobre la floración, síntesis de proteínas, efectos fototrópicos, efecto medio sobre la fotosíntesis ;
  • verde (490-560 nm), el menos fotosintéticamente activo;
  • amarillo (560-590 nm);
  • rojo anaranjado (590-700 nm), muy activo para la fotosíntesis. La coloración de las plantas es tal precisamente en virtud del hecho de que el verde es un color complementario al rojo y, por tanto, es capaz de captar estas bandas del espectro electromagnético .

Además de la radiación visible, un componente energéticamente menor, pero aún destacable por sus efectos, lo constituyen los rayos infrarrojos y especialmente los ultravioleta .

Al atravesar la atmósfera, la radiación solar sufre fenómenos de reflexión , refracción , absorción , difusión por los distintos gases atmosféricos en grados variables según la frecuencia, de manera que en el suelo el espectro solar es irregular respecto al detectado en los umbrales externos de la atmósfera (TOA) con la presencia de bandas típicas de absorción o reflexión.

La figura muestra el espectro de radiación solar sobre la atmósfera y sobre la superficie terrestre .

Balance de radiación

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Transferencia radiativa .

La Tierra recibe del Sol en promedio 1 366 W / ( constante solar ). Esto se refiere a los umbrales de la atmósfera y al plano perpendicular a los rayos solares entrantes: por lo tanto, debe considerarse que este en la Tierra golpea un casquete esférico durante 1440 minutos todos los días, reduciéndose en un 75%. La atmósfera a su vez filtra los rayos del sol hasta cierto punto como lo hace todo el cuerpo, provocando:

  • un reflejo y retrodispersión de los rayos debido a su albedo , las nubes y los propios gases atmosféricos;
  • una absorción que provoca un aumento de temperatura , como resultado de lo cual reemite radiación en todas las direcciones de acuerdo con la ley de Wien . Sin embargo, esta absorción es modesta en la banda de luz visible, resultando así transparente a la radiación solar directa.

Aproximadamente la mitad de la radiación pasa a través de la atmósfera sin alteración y toma el nombre de radiación neta. Finalmente, la mitad de la radiación neta contribuye a la evaporación de las masas de agua, por lo que la energía disponible es aproximadamente una cuarta parte del total emitido.

La estratosfera absorbe los rayos ultravioleta incluidos en la banda de 200-300 nm gracias al ozono , la troposfera absorbe y difunde los infrarrojos gracias al vapor de agua y el CO 2 . La acción filtrante de las bandas de longitud de onda ultravioleta , en su mayor parte letales, es fundamental para el desarrollo de la vida .

Radiación difusa

Flujos radiativos en la atmósfera.

También llamado indirecto, representa aquella cantidad de radiación que ha impactado al menos una partícula de gases atmosféricos al cambiar el ángulo de incidencia y que aún llega al suelo porque se dirige hacia él. Aumenta en relación al total en cielos nublados . En particular, la dispersión de Rayleigh del componente azul de la radiación solar es responsable del color azul del cielo. Parte de la radiación dispersa se vuelve a dispersar al espacio.

Incidente de radiación

Es esa radiación la que ha encontrado algún obstáculo al que ha cedido toda o parte de su energía. Se dice que la energía que no llega a la superficie de la tierra se extingue y se forma por la radiación reemitida, reflejada y retrodifundida hacia el espacio.

Según la ley de Lambert, la cantidad de radiación que incide en la unidad de superficie es proporcional al coseno del ángulo de incidencia :

Existe la cantidad máxima con incidencia perpendicular, a medida que aumenta el ángulo, aumenta tanto la superficie impactada por la misma cantidad de radiación como el espesor de la atmósfera atravesada por estas. Esto crea las variaciones diarias, anuales y latitudinales en la irradiación.

Radiación reflejada

La radiación reflejada es la parte de la radiación solar incidente reflejada desde la superficie terrestre por el efecto del albedo . El albedo es el coeficiente de reflexión c . Los valores de c suelen estar entre 0 y 1 o se expresan como porcentaje. Viene dada por la relación entre la energía radiante reflejada desde una superficie y la energía incidente. La Tierra tiene un valor medio del 40% (c = 0,4) La radiación reflejada por las partículas atmosféricas hacia el espacio se suma a la altitud del albedo terrestre.

Radiación absorbida

Una vez deducidas todas las pérdidas por reflexión y retrodispersión de la atmósfera y la superficie terrestre, la energía incidente restante es absorbida por la superficie terrestre y contribuye así a su calentamiento, de forma variable según la latitud y el tipo de superficie.

Aplicaciones

La energía asociada a la radiación solar ( energía solar) se puede explotar a nivel tecnológico para producir energía ( térmica o eléctrica ) a través de diversas tecnologías solares como paneles solares térmicos , fotovoltaicos y termodinámicos y se utiliza en aplicaciones humanas.

Nota

  1. Canzio Torelli, ENEA-Fusion: What is the Fusion , en www.fusione.enea.it . Consultado el 25 de julio de 2017 .

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