Energia Solar
La radiación solar no llega a la superficie terrestre exactamente igual a como es emitida por el Sol. Durante su recorrido hacia la Tierra y su paso a través de la atmósfera, la energía solar experimenta diversos fenómenos físicos que modifican su intensidad, dirección y composición espectral.
Estos procesos determinan la cantidad de energía disponible en cada lugar del planeta y son responsables de fenómenos tan cotidianos como el color azul del cielo, la formación de sombras o las diferencias de insolación entre distintas regiones.
El viaje de la radiación solar hacia la Tierra
El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética en un amplio rango de longitudes de onda, desde los rayos ultravioleta hasta la radiación infrarroja.
En el límite superior de la atmósfera terrestre, la irradiancia solar media es de aproximadamente 1.361 W/m², valor conocido como constante solar. Sin embargo, no toda esta energía alcanza la superficie terrestre debido a la interacción con la atmósfera.
A medida que los rayos solares atraviesan las distintas capas atmosféricas, parte de la energía es reflejada, absorbida o dispersada por los gases atmosféricos, las nubes y las partículas en suspensión.
La atmósfera como filtro natural
La atmósfera terrestre actúa como un filtro que regula la cantidad y el tipo de radiación que llega al suelo.
Este filtrado resulta esencial para la vida, ya que elimina gran parte de las radiaciones más energéticas y potencialmente dañinas procedentes del Sol.
Los principales procesos que afectan a la propagación de la radiación solar son:
- Reflexión.
- Absorción.
- Dispersión.
La combinación de estos fenómenos determina el balance energético terrestre y la radiación finalmente disponible en la superficie.
Reflexión de la radiación solar
La reflexión ocurre cuando una parte de la radiación incidente rebota sobre una superficie sin ser absorbida.
Este fenómeno tiene lugar tanto en la atmósfera como en la superficie terrestre. Las nubes son uno de los elementos que más radiación reflejan hacia el espacio, aunque también contribuyen a ello los aerosoles atmosféricos, la nieve, el hielo y determinadas superficies claras.
La capacidad de una superficie para reflejar la radiación solar se expresa mediante el albedo.
La Tierra presenta un albedo medio cercano al 30 %, lo que significa que aproximadamente una tercera parte de la energía solar recibida es devuelta al espacio.
Absorción de la radiación solar
Parte de la energía solar es absorbida por los gases atmosféricos y por la superficie terrestre.
La absorción depende de la longitud de onda de la radiación y de las propiedades de los materiales que la reciben.
Algunos ejemplos importantes son:
- La capa de ozono absorbe gran parte de la radiación ultravioleta.
- El vapor de agua absorbe determinadas bandas del infrarrojo.
- El dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero absorben radiación térmica.
La energía absorbida se transforma principalmente en calor, contribuyendo al calentamiento de la atmósfera, los océanos y los continentes.
Dispersión de la radiación solar
No toda la luz solar que entra en la atmósfera llega directamente a la superficie terrestre. Durante su recorrido, una parte de la radiación interactúa con las moléculas del aire, las gotas de agua y las partículas en suspensión presentes en la atmósfera. Cuando esto ocurre, los rayos solares cambian de dirección y la luz se reparte en múltiples sentidos, un fenómeno conocido como dispersión.
Aunque pasa desapercibida en nuestra vida cotidiana, la dispersión es responsable de algunos de los espectáculos naturales más conocidos. Gracias a ella, el cielo adquiere su característico color azul durante el día y los amaneceres y atardeceres se tiñen de tonos rojizos y anaranjados. También explica por qué existe iluminación natural incluso en lugares que no reciben luz solar directa.
Uno de los mecanismos más importantes es la dispersión de Rayleigh, que se produce cuando la luz interactúa con las moléculas del aire. Este fenómeno afecta con mayor intensidad a las longitudes de onda más cortas, correspondientes a los colores azules y violetas del espectro visible. Como nuestros ojos son más sensibles al azul y parte de la luz violeta es absorbida por la atmósfera, el resultado es el color azul que observamos al mirar el cielo en un día despejado.
Radiación directa y radiación difusa
Como resultado de los procesos atmosféricos, la radiación que alcanza la superficie terrestre puede clasificarse en dos componentes principales.
Radiación directa
Es la radiación que llega desde el disco solar sin haber sufrido cambios significativos de dirección.
Representa la fracción más concentrada de energía y genera sombras bien definidas en días despejados.
Radiación difusa
Es la radiación que ha sido dispersada por la atmósfera antes de llegar al suelo.
Aunque llega desde múltiples direcciones, sigue aportando una cantidad significativa de energía, especialmente en días nublados o con elevada concentración de partículas atmosféricas.
Radiación global
La suma de la radiación directa y la radiación difusa recibe el nombre de radiación global.
Esta es la radiación total disponible sobre una superficie expuesta al Sol.
Influencia del ángulo de incidencia
La cantidad de energía solar recibida depende también del ángulo con el que los rayos solares alcanzan una superficie.
Cuando la radiación incide perpendicularmente, la energía se concentra en una superficie menor y la intensidad es máxima.
Por el contrario, cuando los rayos llegan con una inclinación elevada, la misma energía se distribuye sobre una superficie mayor y además debe atravesar una mayor cantidad de atmósfera.
Este fenómeno explica numerosos aspectos del comportamiento de la radiación solar en la Tierra. Por ejemplo,
- La alternancia entre día y noche se produce porque la rotación terrestre modifica continuamente el ángulo con el que los rayos solares alcanzan cada punto del planeta.
- Las estaciones del año son consecuencia de la inclinación del eje terrestre, que hace que una misma región reciba los rayos solares de forma más o menos perpendicular según la época del año.
- Las diferencias climáticas entre latitudes se deben a que las zonas cercanas al Ecuador reciben una radiación más directa y concentrada que las regiones polares.
- La variación diaria de la radiación solar.
Factores que afectan a la propagación de la radiación solar
La cantidad de radiación que finalmente alcanza la superficie terrestre depende de numerosos factores:
- La latitud.
- La época del año.
- La hora del día.
- La altitud.
- La nubosidad.
- La humedad atmosférica.
- La concentración de aerosoles y partículas.
- La contaminación atmosférica.
Por este motivo, dos lugares situados a la misma latitud pueden recibir cantidades de radiación solar muy diferentes.