La radiación solar (página 2)

En función de cómo reciben la radiación
solar los objetos situados en la superficie terrestre, se pueden
distinguir estos tipos de radiación:

Radiación directa Es aquella que llega
directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su
dirección. Este tipo de radiación se caracteriza
por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la
interceptan.

Radiación difusa Parte de la
radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada
por las nubes o absorbida por éstas. Esta
radiación, que se denomina difusa, va en todas
direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones,
no sólo de las nubes sino de las partículas de
polvo atmosférico, montañas, árboles,
edificios, el propio suelo, etc. Este tipo de radiación se
caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos
opacos interpuestos. Las superficies horizontales son las que
más radiación difusa reciben, ya que ven
toda la bóveda celeste, mientras que las verticales
reciben menos porque sólo ven la mitad.

Radiación reflejada La radiación
reflejada es, como su nombre indica, aquella reflejada por la
superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del
coeficiente de reflexión de la superficie, también
llamado albedo. Las superficies horizontales no reciben ninguna
radiación reflejada, porque no ven ninguna
superficie terrestre y las superficies verticales son las que
más radiación reflejada reciben.

Radiación global Es la radiación
total. Es la suma de las tres radiaciones. En un día
despejado, con cielo limpio, la radiación directa es
preponderante sobre la radiación difusa. Por el contrario,
en un día nublado no existe radiación directa y la
totalidad de la radiación que incide es difusa.

Los distintos tipos de colectores solares aprovechan de forma
distinta la radiación solar. Los colectores solares
planos, por ejemplo, captan la radiación total (directa +
difusa), sin embargo, los colectores de concentración
sólo captan la radiación directa. Por esta
razón, los colectores de concentración suelen
situarse en zonas de muy poca nubosidad y con pocas brumas, en el
interior, alejadas de las costas.

Distribución
espectral de la radiación solar

La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una
temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de
la radiación emitida está entre las longitudes de
onda 0,15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras.
Como 1 angstrom 1 Ã…= 10-10
m=10-6 micras resulta que el Sol emite en un rango
de 1500 Ã… hasta 40000 Ã…. La luz
visible se extiende desde 4000 Ã… a 7400
Ã… La radiación ultravioleta u ondas cortas
iría desde los 1500 Ã… a los 4000
Ã… y la radiación infrarroja u ondas largas
desde las 0,74 micras a 4 micras.

La atmósfera de la Tierra constituye un importante
filtro que hace inobservable radiaciones de longitud de onda
inferior a las 0,29 micras por la fuerte absorción del
ozono y oxígeno. Ello nos libra de la radiación
ultravioleta más peligrosa para la salud. La
atmósfera es opaca a toda radiación infrarroja de
longitud de onda superior a los 24 micras, ello no afecta a la
radiación solar pero sí a la energía emitida
por la Tierra que llega hasta las 40 micras y que es absorbida. A
este efecto se conoce como efecto invernadero.

El máximo (Ley de Wien) ocurre a 0,475 micras es decir
a 4750 Ã…. Considerando la ley de Wien ello
corresponde a una temperatura de:

Efectos de la
radiación solar sobre los gases
atmosféricos

La atmósfera es diatérmana es decir, que no es
calentada directamente por la radiación solar, sino de
manera indirecta a través de la reflexión de dicha
radiación en el suelo y en la superficie de mares y
océanos.

Los fotones según su energía o longitud de onda
son capaces de:

1.       Fotoionizar la capa
externa de electrones de un átomo (requiere una longitud
de onda de 0,1 micra)

2.       Excitar electrones de
un átomo a una capa superior (requiere longitudes de onda
entre 0,1 de micra y 1 micra).

3.       Disociar una
molécula (requiere longitudes de onda entre 0,1 de micra y
1 micra).

4.       Hacer vibrar una
molécula (requiere longitudes de onda entre 1 de micra y
50 micra).

5.       Hacer rotar una
molécula (requiere longitudes de onda mayores que 50
micras).

La energía solar tiene longitudes de onda entre 0,15
micras y 4 micras por lo que puede ionizar un átomo,
excitar electrones, disociar una molécula o hacerla
vibrar.

La energía térmica de la Tierra
(radiación infrarroja) se extiende desde 3 micras a 80
micras por lo que sólo puede hacer vibrar o rotar
moléculas, es decir, calentar la atmósfera.

Efectos sobre
la salud

Espectro de la radiación solar por encima de la
atmósfera y a nivel del mar.

La exposición exagerada a la radiación solar
puede ser perjudicial para la salud. Esto está agravado
por el aumento de la expectativa de vida humana, que está
llevando a toda la población mundial, a permanecer
más tiempo expuesto a las radiaciones solares, con el
riesgo mayor de cáncer de piel.

La radiación ultravioleta, es emitida por el Sol en
longitudes de onda van aproximadamente desde los 150 nm (1500
Ã…), hasta los 400 nm(4000 Ã…), en
las formas UV-A, UV-B y UV-C pero a causa de la absorción
por parte de la atmósfera terrestre, el 99% de los rayos
ultravioletas que llegan a la superficie de la Tierra son del
tipo UV-A. Ello nos libra de la radiación ultravioleta
más peligrosa para la salud. La atmósfera ejerce
una fuerte absorción que impide que la atraviese toda
radiación con longitud de onda inferior a 290 nm (2900
Ã…). La radiación UV-C no llega a la tierra
porque es absorbida por el oxígeno y el ozono de la
atmósfera, por lo tanto no produce daño. La
radiación UV-B es parcialmente absorbida por el ozono y
llega a la superficie de la tierra, produciendo daño en la
piel. Ello se ve agravado por el agujero de ozono que se produce
en los polos del planeta.

Dirección de
incidencia de la irradiación solar

El estudio de la dirección con la cual incide la
irradiación solar sobre los cuerpos situados en la
superficie terrestre, es de especial importancia cuando se desea
conocer su comportamiento al ser reflejada. La dirección
en que el rayo salga reflejado dependerá de la
incidente.

Con tal fin se establece un modelo que distingue entre dos
componentes de la irradiación incicente sobre un punto: La
irradiación solar directa y la irradiación solar
difusa.

1) Irradiación Solar Directa es
aquella que llega al cuerpo desde la dirección del
Sol.

2) Irradiación Solar Difusa es
aquella cuya dirección ha sido modificada por diversas
circunstancias ( densidad atmosférica, partículas u
objetos con los que chocar,reemisiones de cuerpos, etc.). Por sus
características esta luz se considera venida de todas
direcciones.

La suma de ambas es la irradiación total
incidente. La superficie del planeta está expuesta a la
radiación proveniente del Sol.

La tasa de irradiación depende en cada instante del
ángulo que forman la normal a la superficie en el punto
considerado y la dirección de incidencia de los rayos
solares. Por supuesto, dada la lejanía del Sol respecto de
nuestro planeta, podemos suponer, con muy buena
aproximación, que los rayos del Sol inciden esencialmente
paralelos sobre el planeta. No obstante, en cada punto del mismo,
localmente considerado, la inclinación de la superficie
respecto a dichos rayos depende de la latitud y de la hora del
día para una cierta localización en longitud. Dicha
inclinación puede definirse a través del
ángulo que forman el vector normal a la superficie en
dicho punto y el vector paralelo a la dirección de
incidencia de la radiación solar.

Radiación
ultravioleta

Es la radiación ultravioleta de menor longitud de onda
(360 nm), lleva mucha energía e interfiere con los
enlaces moleculares. Especialmente las de menos de 300 nm que
pueden alterar las moléculas de ADN, muy
importantes para la vida. Estas ondas son absorbidas por
la parte alta de la atmósfera, especialmente por la
capa de ozono. Es importante protegerse de este tipo de
radiación ya que por su acción sobre el ADN
está asociada con el cáncer de piel. Sólo
las nubes tipo cúmulos de gran desarrollo vertical
atenúan éstas radiaciones prácticamente a
cero. El resto de las formaciones tales como cirrus,
estratos y cúmulos de poco desarrollo vertical
no las atenúan, por lo cual es importante la
protección aún en días nublados. Es
importante tener especial cuidado cuando se desarrollan
nubes cúmulos, ya que éstas pueden llegar a
actuar como espejos y difusores e incrementar las
intensidades de los rayos ultravioleta y por consiguiente
el riesgo solar. Algunas nubes tenues pueden tener el efecto
de lupa.

Luz
visible

A radiación correspondiente a la zona visible cuya
longitud de onda está entre 360 nm (violeta) y 760 nm
(rojo), por la energía que lleva, tiene gran influencia en
los seres vivos. La luz visible atraviesa con bastante eficacia
la atmósfera limpia, pero cuando hay nubes o masas de
polvo parte de ella es absorbida o reflejada.

Radiación
infrarroja

La radiación infrarroja de más de 760 nm, es la
que corresponde a longitudes de onda más largas y lleva
poca energía asociada. Su efecto aumenta la
agitación de las moléculas, provocando el aumento
de la temperatura. El CO2 , el vapor de agua y las
pequeñas gotas de agua que forman las nubes absorben con
mucha intensidad las radiaciones infrarrojas.

La atmósfera se desempeña como un filtro ya que
mediante sus diferentes capas distribuyen la energía solar
para que a la superficie terrestre sólo llegue una
pequeña parte de esa energía.

La parte externa de la atmósfera absorbe parte de las
radiaciones reflejando el resto directamente al espacio exterior,
mientras que otras pasarán a la Tierra y luego
serán irradiadas. Esto produce el denominado balance
térmico, cuyo resultado es el ciclo del equilibrio
radiante.

Radiación recibida y absorbida por la
Tierra

Energía Solar reflejada

En los cuadros anteriores (Tabla 1 y 2), se observa como se
distribuye el 100% de la energía proveniente del sol, un
34% (ver tabla 2) regresa al espacio exterior, de forma directa
(24%) o indirecta (10%). Un 19% de la energía es absorbida
por la atmósfera, mientras que la Tierra recibe un 47%
ambas serán regresadas al espacio exterior (ver Tabla 1).
Esta distribución de la energía hace posible el
balance energético en la Tierra.

Comportamiento de
la atmósfera y el suelo frente a la
radiación

 La atmósfera terrestre está compuesta por
numerosas partículas de materia, presenta unos 1000 km. de
altura y se divide en diferentes capas concéntricas:

Troposfera

 Es la zona inferior de la atmósfera que se
extiende desde el nivel del mar hasta unos 16 Km. Es una capa muy
densa, en ella se encuentran más de las ¾ partes
del aire de la atmósfera, además contiene mucho
vapor de agua condensado en forma de nubes, y gran cantidad de
polvo. A ella llegan la luz visible y los rayos UV que logran
atravesar el resto de las capas de la atmósfera.

Estratosfera

Tiene un espesor aproximado de 60 Km. y se encuentra por
encima de la troposfera. Es una capa tenue donde los vapores de
agua y polvo disminuyen bastante con relación a los
encontrados en la troposfera. En esta zona es abundante la
concentración de anhídrido carbónico
(CO2) que tiene la propiedad de evitar el paso de las
irradiaciones a la Tierra. Hacia el medio de la estratosfera se
encuentra una capa de unos 15 km. de espesor con abundante ozono,
que algunos autores denominan ozonosfera, es la capa que absorbe
casi toda la radiación ultravioleta proveniente del Sol.
El ozono, O3, absorbe con gran eficacia las
radiaciones comprendidas entre 200 y 330 nm, por lo que la
radiación ultravioleta de menos de 300 nm que llega a la
superficie de la Tierra es insignificante.

Mesosfera

Presenta alrededor de unos 20 km. de espesor. Sus capas
superiores presentan abundantes concentraciones de sodio. La
temperatura en esta capa se encuentra entre -70 y 90 ºC. En
ella se encuentra la capa D, que tiene la propiedad de reflejar
las ondas largas de radio durante el día y desaparece
durante la noche. Esta es la causa por la cual las ondas medias
son interrumpidas durante el día y puedan reanudarse una
vez que se pone el Sol. Al desaparecer la capa D, permite seguir
el paso de las otras ondas hacia las capas superiores.

Ionosfera: Es una zona parcialmente ionizada de radiaciones
solares, de gran conductividad eléctrica. En esta capa se
reflejan hacia la tierra las ondas de radio, por lo que es de
gran utilidad en las telecomunicaciones.

Exosfera:

Es la última capa de la atmósfera. Se estima que
presenta un espesor de 2.500 km., esta conformada principalmente
por helio. El de energía absorbida. Energía
absorbida por la atmósfera: En unas condiciones
óptimas con un día perfectamente claro y con los
rayos del Sol cayendo casi perpendiculares, las tres cuartas
partes de la energía que llega del exterior alcanza la
superficie.

Casi toda la radiación ultravioleta y gran parte de la
infrarroja son absorbidas por la atmósfera.

 La energía que llega al nivel del mar suele ser
radiación infrarroja un 49%, luz visible un 42% y
radiación ultravioleta un 9%. En un día nublado se
absorbe un porcentaje mucho más alto de energía,
especialmente en la zona del infrarrojo.

Energía absorbida por la
vegetación:

 La vegetación absorbe en todo el espectro, pero
especialmente en la zona del visible, aprovechando esa
energía para la fotosíntesis.

Balance total de energía – Efecto
invernadero:

La temperatura media en la Tierra se mantiene
prácticamente constante en unos 15ºC, pero la que se
calcula que tendría, si no existiera la atmósfera,
sería de unos -18ºC. Esta diferencia de 33ºC tan
beneficiosa para la vida en el planeta se debe al efecto
invernadero. El motivo por el que la temperatura se mantiene
constante es porque la Tierra devuelve al espacio la misma
cantidad de energía que recibe. Si la energía
devuelta fuera algo menor que la recibida se iría
calentando paulatinamente y si devolviera más se
iría enfriando.

Por tanto la explicación del efecto invernadero no
está en que parte de la energía recibida por la
Tierra se quede definitivamente en el planeta. La
explicación está en que se retrasa su
devolución porque, aunque la cantidad de energía
retornada es igual a la recibida, el tipo de energía que
se retorna es distinto. Mientras que la energía recibida
es una mezcla de radiación ultravioleta, visible e
infrarroja, la energía que devuelve la Tierra es
fundamentalmente infrarroja y algo de visible.

Las radiaciones que llegan del sol vienen de un cuerpo que
está a 6.000ºC, pero las radiaciones que la
superficie devuelve tienen la composición de longitudes de
onda correspondientes a un cuerpo negro que esté a
15ºC. Por este motivo las radiaciones reflejadas tienen
longitudes de onda de menor frecuencia que las recibidas.
Están en la zona del infrarrojo y casi todas son absorbida
por el CO2, el vapor de agua, el metano y otros gases,
por lo que se forma el efecto invernadero. Así se retrasa
la salida de la energía desde la Tierra al espacio y se
origina el llamado efecto invernadero que mantiene la temperatura
media en unos 15ºC y no en los -18ºC que tendría
si no existiera la atmósfera.

Aumento de la
Temperatura Global

Durante el siglo XX se ha constatado un aumento de la
temperatura global y se estima que continúe así en
los próximos decenios, esto preocupa al mundo
científico y genera inquietudes en los más diversos
ámbitos, ya que el calentamiento influye sobre el clima y
por ende sobre la producción de alimentos, la salubridad
mundial y en la economía en general.

 Pero no sólo la temperatura ha aumentado,
también han aumentado en la atmósfera el
CO2 en un 25%; el CH4 un 100%; el
N2O un 10%. Más recientemente han aparecido los
cloro fluorocarbonados o CFC, Freón 11 y Freón 12
principalmente.

Las sustancias radiactivas:

La llamada radiactividad está formada por un conjunto
de radiaciones de onda corta y, por tanto, de mucha
energía y gran capacidad de penetración. Su origen
puede ser natural, pero las mediciones indican que han aumentado
en los últimos años por algunas actividades
humanas, sobre todo por las explosiones nucleares. Estas
radiaciones, bien usadas, son muy útiles en medicina, la
industria e investigación científica. Tienen muchas
aplicaciones y se usan para curar cánceres hasta para
revisar soldaduras o esterilizar alimentos. Sin embargo, la
contaminación con sustancias radiactivas es especialmente
peligrosa.

Aplicaciones de la
energía solar

Entre las múltiples aplicaciones de la energía
solar se encuentran su aprovechamiento como luz directa, como
fuente de calor y en la generación de electricidad
principalmente, a continuación se amplia cada uno de estos
usos:

·        
Directa: Una de las aplicaciones de la
energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo,
para la iluminación. Otra aplicación directa, muy
común, es el secado de ropa y algunos productos en
procesos de producción con tecnología simple.

·        
Térmica: La energía solar puede
utilizarse para el calentamiento de algún sistema que
posteriormente permitirá la climatización de
viviendas, calefacción, refrigeración, secado,
entre otros, son aplicaciones térmicas.

·        
Fotovoltaica: Es la energía solar
aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas (celda
solar, auto solar), capaces de convertir la luz en un potencial
eléctrico, sin necesariamente pasar por un efecto
térmico. Para lograr esto la energía solar se
recoge de una forma adecuada. El calor se logra mediante los
colectores térmicos, y la electricidad, a través de
los llamados módulos fotovoltaicos.

Los sistemas de aprovechamiento térmico permiten que el
calor recogido en los colectores pueda destinarse y satisfacer
numerosas necesidades.Por ejemplo, se puede obtener agua caliente
para consumo doméstico o industrial, o bien generar
calefacción a casas, hoteles, colegios, fábricas,
entre otros. Incluso se pueden climatizar las piscinas para
permitir su uso durante gran parte del año en aquellos
países donde se presentan las estaciones.

·        
Las aplicaciones agrícolas: son muy amplias
con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más
tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha
menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por
citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de
purificación o desalinización de aguas sin consumir
ningún tipo de combustible. Las "células solares",
dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad
en los primeros satélites espaciales. Actualmente se
perfilan como la solución definitiva al problema de la
electrificación rural, con clara ventaja sobre otras
alternativas, pues, al carecer los paneles de partes
móviles, resultan totalmente inalterables al paso del
tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en
absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento.
Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan
también en días nublados, puesto que captan la luz
que se filtra a través de las nubes.

La electricidad que se obtiene de esta manera puede usarse de
forma directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para
regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada
en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es
posible inyectar la electricidad sobrante a la red general,
obteniendo un importante beneficio. Las células solares
están hechas con obleas (láminas) finas de silicio,
arseniuro de galio u otro.

·        
Hornos solares: Los hornos solares son una
aplicación importante de los concentradores de alta
temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa
de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total
de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de
hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para
investigaciones, por ejemplo, en la investigación de
materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres
de contaminantes.

·        
Enfriamiento solar: Se puede producir frío
con el uso de energía solar como fuente de calor en un
ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los
componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por
absorción, llamado generador, necesita una fuente de
calor.

En general, se requieren temperaturas superiores a
150 °C para que los dispositivos de absorción
trabajen con eficacia, los colectores de concentración son
más apropiados que los de placa plana.

Tormenta
geomagnética

Una tormenta geomagnética es una perturbación
temporal de la magnetosfera terrestre. Asociada a una
eyección de masa coronal (CME), un agujero en la corona o
una llamarada solar, es una onda de choque de viento solar que
llega entre 24 y 36 horas después del suceso. Esto
solamente ocurre si la onda de choque viaja hacia la Tierra.

La presión del viento solar sobre la magnetosfera
aumentará o disminuirá en función de la
actividad solar. La presión del viento solar modifica las
corrientes eléctricas en la ionosfera. Las tormentas
magnéticas duran de 24 a 48 horas, aunque pueden
prolongarse varios días.

Etapas

• Erupción solar: La primera etapa, que puede
  romper las comunicaciones. Tarda 8 min. en llegar.
  Además, hace que la atmósfera aumente su
  tamaño hasta las órbitas de los satélites,
  altere sus orbitas y haga que estos caigan a tierra.
• Tormenta de Radiación: Consiste en un
  "bombardeo" de radiación contra la Tierra. Esta puede
  freír los circuitos eléctricos y atacar a las
  personas. En la Tierra estamos protegidos gracias a los efectos
  combinados de la Atmósfera y la Magnetosfera. Debido a
  esto, sólo afecta a los astronautas que no estén
  a salvo.
• CME: La onda más peligrosa, ya que
  daña a los satélites y a los transformadores
  eléctricos del planeta por los que pase electricidad.
  Daña las comunicaciones en todo el planeta. Tiene campo
  magnético: si está orientada al norte,
  rebotará inofensivamente en la magnetosfera; si
  está orientada hacia el sur, causaría una
  catástrofe global, por los daños que
  ocasionaría.

Anexos

Conclusión

La mayor parte de la energía que llega a nuestro
planeta procede del Sol. El Sol emite energía en forma de
radiación electromagnética. Estas radiaciones se
distinguen por sus diferentes longitudes de onda. Algunas, como
las ondas de radio, llegan a tener longitudes de onda de
kilómetros, mientras que las más
energéticas, como los rayos X o las radiaciones gamma
tienen longitudes de onda de milésimas de
nanómetro.

La energía que llega al exterior de la atmósfera
lo hace en una cantidad fija, llamada constante solar. Esta
energía es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda
entre 200 y 4000 nm, que se distingue entre radiación
ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja.

Bibliografía

www.encarta.com

www.kalipedia.com

Autor:

Néstor Sanz B.