Irradiación solar

La irradiación solar es la magnitud que mide la energía por unidad de área de radiación solar incidente en una superficie colocada en un lugar y rango de tiempo bien especificados. La magnitud es frecuentemente designada por los medios de comunicación social como radiación solar. La irradiación solar en la superficie terrestre es, desde el punto de vista técnico, la adición en un intervalo de tiempo determinado de la radiancia solar filtrada por la interposición de la atmósfera. Su valor depende críticamente de la latitud, la época del año, las horas del día y el clima imperante en el lugar.

Introducción

Figura 1. Irradiancia espectral del Sol en el planeta Tierra.

El origen de la radiación electromagnética proveniente del Sol es la reacción de fusión nuclear que se produce constantemente en su interior. En ella dos núcleos de hidrógeno (protones) se combinan para formar un núcleo de helio, liberando energía en el proceso —el mismo que en la llamada "bomba de hidrógeno"—. El hidrógeno constituye el 74,9% de la masa del Sol, y el helio el 23,8% (en leve pero constante incremento) y sólo el 1,3% restante corresponde a otros elementos químicos.

El calor generado por la reacción de fusión nuclear es responsable de que el Sol sea una gigantesca masa incandescente, cuya superficie exterior —que vemos como "disco solar"— tiene una temperatura aproximada de 5.505 °C. Como cualquier cuerpo incandescente, emite radiación electromagnética en un amplio rango de longitudes de onda (o frecuencias) que abarcan desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, cuya máxima intensidad está en la región que la vista humana identifica como la amarilla del arco iris. Esta distribución de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro de radiación solar, la mayor parte del cual es invisible al ojo humano (véase el artículo Cómo divulgar qué es la luz).

La radiación electromagnética del Sol se propaga en el vacío con la llamada velocidad de la luz, que es de aproximadamente 299.792 km/s. Esto significa que su energía fluye (como lo hace una corriente de agua) con esa velocidad. La medida física de este flujo es la potencia, la cantidad de energía que fluye por unidad de tiempo (la magnitud análoga para una corriente de agua es el caudal). La unidad estándar internacionalmente usada para la potencia es el Watt (W) como en cualquier artefacto eléctrico domiciliario (en castellano mal denominada vatio al ignorar que fue elegida en homenaje a las contribuciones científicas de James Watt).

Después de abandonar la superficie del Sol su radiación se expande de modo casi homogéneo y constante en el tiempo a través del espacio circundante, salvo por la cíclica influencia de las manchas solares (ciclos de 11 años). La potencia de radiación solar se distribuye así sobre la superficie de una esfera cuyo radio aumenta constantemente con la velocidad de la luz, disminuyendo su valor por unidad de área como la inversa del cuadrado de ese radio. Cuando este frente de onda esférico llega a la atmósfera de la Tierra (donde dicho radio toma el valor de la distancia de la Tierra al Sol, unos 150 millones de kilómetros), la potencia por unidad de área del espectro total de la radiación (irradiancia solar fuera de la atmósfera) es de aproximadamente 1.367 W/m² (véase Vuerich y otros).

Irradiancia espectral

Piranómetro SR20.

La radiación solar es reflejada, absorbida o dispersada por la atmósfera terrestre debido a la acción de átomos, moléculas, iones, gases disueltos y partículas en suspensión (gotas de agua, polvo, cenizas de volcanes...). Moléculas como las de oxígeno (O₂), agua (H₂0), anhidrido carbónico (CO₂) y ozono (O₃) tienen un fuerte impacto porque absorben radiación solar en amplios rangos (llamados bandas de absorción) de longitud de onda, como se ve en la figura adjunta. Asimismo, en las aplicaciones de la irradiancia solar hay que tener en cuenta los rangos de longitudes de onda involucradas, que pueden ser muy diferentes en cada caso. El resultado es que la irradiancia solar directa sobre la superficie terrestre, en un día claro cuando el Sol está en el zenith, se reduce a unos 1.050 W/m².

La distribución espectral de la irradiancia tiene efectos importantes en casos como los siguientes.

• Calefones solares. La cubierta de vidrio (cuando la captación se hace mediante caños metálicos pintados de negro) y los caños mismos cuando son de vidrio impiden el pasaje de la mayor parte de la radiación solar infrarroja.[1]
• Cultivos. El rango de radiación solar que alimenta el proceso de fotosíntesis está mayoritariamente concentrado en el rango visible de las longitudes de onda.[2]
• Celdas fotovoltaicos. La eficiencia de diferentes tipos de celda fotovoltaica capaces de generar electricidad a partir de la irradiación solar puede variar mucho según el rango de longitudes de onda usados.[3]

Pirgeómetro CGR4.

La irradiancia espectral se define como...

Instrumentos usados para medir la irradiancia

• Balance:
• Heliógrafo:
• Lucímetro:
• Piranómetro: instrumento de medición de la irradiancia solar en el rango aproximado de 0,3-3,0 µm.
• Pirgeómetro: instrumento de medición de la irradiancia solar en el rango infrarrojo aproximado de 4,5-100 µm.

Glosario

Cómo surge de la literatura sobre el tema radiometry (disciplina que se ocupa de la medición de las ondas electromagnéticas) hay frecuentes inconsistencias en el uso de la terminología en inglés, problema que se complica aún más con la existencia de diferentes traducciones de un mismo término al castellano. Por esta razón se usan en este artículo y los derivados de él las convenciones establecidas por la Red Iberoamerican de Solarimetría en el año 2000 (véase Fuentes). Para facilitar la interpretación de los no especialistas en el tema los términos se ordenan en su orden didáctico de definición, no alfabéticamente. Se dan entre paréntesis los símbolos correspondientes términos en inglés.

Radiación solar (R): Potencia de la radiación electromagnética emitida por el Sol hacia el espacio en todo su rango de longitudes de onda por unidad de área normal a la dirección de propagación. Varía según la distancia al Sol y se obtiene de la integral de la irradiancia espectral I₀(λ) en el espacio exterior (curva celeste de la Figura 1) sobre todas las longitudes de onda. Usualmente se calcula o mide fuera de la atmósfera terrestre.

Irradiación solar: Radiación solar incidente sobre una unidad de área normal a la dirección de propagación en algún lugar y tiempo bien especificados de la superficie terrestre. No coincide con la radiación solar debido a la absorción de algunos rangos de longitudes de onda por la atmósfera. Se obtiene de la integral de la irradiancia espectral I_T(λ) en algún lugar y tiempo de la superficie terrestre (curva verde de la Figura 1) sobre todas las longitudes de onda.

Irradiancia solar (solar irradiance): Potencia (variación temporal instantánea de energía respecto del tiempo) de radiación electromagnética solar incidente por unidad de área (normal a la dirección de propagación de la radiación) en un lugar, día y hora bien especificados. Lo usual es hacer promedios de varios días.

Constante solar (solar constant): Valor de la irradiancia solar en el espacio exterior a la Tierra, calculado a 1 unidad astronómica del Sol. La unidad astronómica vale aproximadamente 150 millones de kilómetros, aproximadamente la distancia promedio de la Tierra al Sol.

Heliofanía (sunshine duration): Medida de la nubosidad de un lugar determinado expresado usualmente en términos de la duración anual promedio (hecho sobre varios años) de la horas de pleno sol (resplandor solar). Tambien puede calcularse por día o por estación, para cuantificar su variabilidad.

Insolación (insolation): Valor diario (insolación diurna) o anual (insolación anual) de la energía total de irradiación solar directa (excluyendo la reflejada por las nubes y otras partículas en suspensión en la atmósfera) recibida en un lugar o región determinada de la superficie terrestre. El valor es crítico para las aplicaciones prácticas de la energía solar, incluyendo los cultivos.

Fuentes

• Irradiancia en Wikipedia en castellano.
• Radiometría en Wikipedia en inglés.
• RISOL; Terminologia, Definiciones y Simbologia; revista Energías Renovables y Medio Ambiente, Nº 8, pp. 29-30; Argentina; 2000.
• Vuerich, E & Morel J P & Mevel S & Oliviéri, J; Updating and development of methods for worldwide accurate measurements of shunshine duration (Actualización y desarrollo de métodos precisos para la medición mundial de la heliofanía); TECO-2012; Bruselas (Bélgica); 16-18 de octubre de 2012.

Véase también

• Cómo divulgar qué es la luz.
• Irradiación solar en Argentina.
• Radiación ultravioleta.
• Red Iberoamericana de Solarimetría.
• Sistema Argentino de Evaluación de Energía Solar (ENARSOL).