Lección

LA RADIACIÓN SOLAR

El sol parece ser lejano y pequeño, por lo tanto los rayos solares que alcanzan la superficie de la tierra son casi paralelos.

La radiación electromagnética solar que incide en el borde superior de la atmósfera es llamada radiación extra terrestre. El significado integral para el espectro completo es 1,367 W/m (la constante solar)

La radiación electromagnética (EMR) es una forma de energía  que exhibe un comportamiento como el de una onda cuando viaja por el espacio. La EMR tiene componentes de campo eléctrico y magnético, que oscilan en fase perpendicular el uno al otro y perpendicular en dirección de la propagación de energía.

Onda electromagnética

La radiación EM lleva tanto la energía como el momentum y exhibe propiedades tanto de ondas como de partículas a la misma vez (dualidad onda-partícula).  Por ejemplo, la radiación de los electrones es liberada como fotones, que son manojos de energía que viajan a la velocidad de la luz.

Estas ondas eléctricas y magnéticas tienen ciertas características, que incluyen amplitud, longitud de onda, y frecuencia. Las ondas se agrupan en categorías, basadas en longitud de onda, en la forma del espectro electromagnético.

Una longitud de onda más corta significa mayor frecuencia, y mayor frecuencia significa mayor energía. Las ondas con longitudes de onda más cortas, como los rayos X, llevan niveles de energía que pueden ser peligrosos para nuestra salud.

La longitud de onda () es la distancia de un ciclo completo de oscilación. Por ejemplo, si se está en un bote, es la distancia entre dos cimas de olas en el agua.

Longitud de onda y amplitud

La medición normal de la longitud de onda de la radiación atmosférica y solar es el nanómetro (nm, m) y para la radiación infrarroja es el micrómetro (µm, m).  Este rango es mostrado en la tabla 1. En astronomía y libros más antiguos la unidad de medida es el Ångström (Å, m).

Longitud de onda de radiación solar y atmosférica
Onda corta UV-C 200 a 280 nm Emitida desde el sol, totalmente absorbida por la atmósfera antes de que alcance la tierra
UV-B 280 a 315 nm Emitida desde el sol, 90% es absorbida por la atmósfera, biológicamente muy activo, causa bronceado
UV-A 315 a 400 nm Emitida desde el sol, la mayoría alcanza la tierra, biológicamente no muy activo
Vis 400 a 700 nm Luz visible desde violeta a rojo (colores del arcoíris)
NIR 700 a 3000 nm Radiación caliente desde el sol
Onda larga FIR 3000 a 50000 nm Radiación caliente desde la atmósfera, nubes, tierra y alrededores

La radiación significativa para procesos del planeta se extiende desde 280nm a 300nm (radiación de onda corta) y desde 3 μm a >40 μm (radiación de onda larga). La intensidad  máxima del espectro solar ocurre a los 500 nm, correspondiente al color azul.

El espectro completo comprende las bandas de frecuencia ultravioleta (UV), visible (Vis), e infrarroja (IR). Ahora bien, estos rangos de longitudes de ondas necesitan ser sub-divididos dependiendo del campo de aplicación individual.

Irradiancia espectral

UV es normalmente sub-dividido en radiaciones UVA, UVB y UVC. Aproximadamente el 6% del total de radiación solar que cae sobre la tierra es ultravioleta. Estas longitudes de ondas más cortas (de más alta frecuencia) tienen una energía más alta, lo que incrementa el efecto sobre los sistemas biológicos y químicos.

IR se divide entre infrarroja cercana (NIR) e infrarroja lejana (FIR). FIR no es emitido desde el sol, este viene desde el cielo; la atmósfera y las nubes que absorben  radiación de longitud corta, calentamiento, y re-emiten la radiación en el infrarrojo lejano en forma de calor;  y desde la superficie de la tierra.

Rango del espectro electromagnético y su clasificación

La atenuación de la radiación solar pasando por nuestra atmósfera es debido a los siguientes procesos:

  • Ultravioleta
    Dispersión por moléculas y aerosoles, absorción del Ozono (O3), Dióxido de sulfuro (SO2) , Dióxido de nitrógeno (NO2) y gases traza.
  • Visible
    Dispersión por moléculas y aerosoles, pero pequeña absorción. Las longitudes de ondas más cortas son mayormente dispersas, por lo que el cielo normalmente se ve azul.
  • Infrarroja
    Absorción de vapor de agua y aerosoles pero poca dispersión.

El ozono molecular en las capas superiores de nuestra atmósfera funciona como un filtro para la radiación ultravioleta y el efecto incrementa con longitudes de ondas más cortas. Si bien casi todo el espectro de radiaciones UVA alcanzan la superficie terrestre, cerca del 90% de las radiaciones UVB es absorbida por el ozono y todo el UVC es absorbido.

Una capa de ozono en decrecimiento significa un incremento de la radiación UVB alcanzando la superficie con efectos perjudiciales sobre la gente y la biosfera.

Un efecto mayor de la radiación solar es la que alcanza la superficie de la Tierra y la calienta, lo que es vital para nuestra existencia. 30% de nuestra radiación solar extraterrestre es reflejada de vuelta al espacio pero aproximadamente el 51% es absorbida por la tierra y el agua, otro 19% es absorbida por las nubes y la atmósfera.

Balance de la energía solar que llega a la Tierra

Las variaciones en la energía reflejada y re-irradiada influencian en el balance de energía entre la tierra y la atmósfera. Este balance de energía sucesivamente influencia las condiciones meteorológicas entre otros procesos, por ejemplo, el crecimiento de las plantas. La creciente preocupación por la supervivencia de nuestro ambiente y nuestra forma de vida, en conjunto con el deseo de altos rendimientos de los cultivos hacen necesario el tener disponible la información precisa con respecto a la radiación entrante y reflejada.

En estos días, la medición de la radiación solar es en extremo importante en diferentes campos de aplicación, como la climatología, meteorología, hidrología, previsión de la contaminación, energía solar, agricultura, ensayo de materiales, aviación, entre otros.

La información precisa de la radiación solar es crítica en la industria de la energía solar. En investigación y desarrollo, al elegir las localizaciones y tipos de sistemas óptimos, en monitoreo de eficiencia y en programación de mantenimiento.