El Sol, principal fuente de energía de la Tierra

El Sol esta situado a una distancia media de 150 millones de kilómetros. Está formado principalmente por gases de hidrógeno y helio a muy alta temperatura. En su núcleo se producen continuamente las reacciones de fusión nuclear de estos gases. Este proceso libera gran cantidad de energía que sale hasta la superficie visibles del Sol y escapa en forma de rayos solares al espacio exterior. Se calcula que en el interior del Sol reaccionan unos 700 millones de toneladas de hidrógeno por segundo, de los que 4,3 millones se transforman en energía.

La fuente por excelencia de energía de la Tierra es la proveniente del Sol. A excepción de las energías nucleares y geotérmica, el resto de fuentes de energía usadas por el hombre, provienen del Sol.

El aprovechamiento natural de la energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. La mayor parte de la energía utilizada por los seres vivos procede del Sol: las plantas la absorben directamente para ejecutar la fotosíntesis, los herbívoros absorben indirectamente una pequeña cantidad comiendo las plantas y los carnívoros una cantidad más pequeña comiendo a los herbívoros. A este conjunto de fenómenos se la denomina cadena tróficaDel griego trophos, alimentar, nutrir; describe el proceso de transferencia de sustancias nutritivas a través de las diferentes especies de una comunidad biológica, en el que cada uno se alimenta del precedente y es alimento del siguiente.. La energía solar, a través del proceso de fotosíntesis, influye en el crecimiento de la biomasaCantidad de productos obtenidos por fotosíntesis, susceptibles de ser transformados en combustible útil para el hombre y expresada en unidades de superficie y de volumen. que, junto con la madera y los combustibles fósiles son el resultado de la energía de origen solar acumulada en determinados organismos que, al pasar el tiempo, millones de años, reaccionaron químicamente y formaron petróleo, gas o carbón.

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Aproximadamente el 30 % de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera alimenta el ciclo del agua, produce las precipitaciones y la energía potencial de las corrientes de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por turbinas produce energía hidroeléctrica. Asimismo, la interacción de la energía del sol, los océanos y la atmósfera produce vientos, que se han utilizado durante siglos para mover los molinos. Al respecto, los sistemas actuales de energía eólica utilizan aerogeneradores que producen energía eléctrica, para los más variados empleos domésticos e industriales. Adicionalmente, los océanos representan un tipo natural de asimilación de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones alcanzan unos 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando existen grandes masas de agua con distintas temperaturas se produce una transferencia de calor que se puede aprovechar para producir energía mecánica que acciona una turbina y está, un generador eléctrico.

Los rayos de sol se propagan por el espacio en forma de energía electromagnética al resto de planetas y cuerpos del sistema solar. El Sol emite radiación en toda la gama del espectro electromagnético; sin embargo, para el aprovechamiento de sus energía, solo es importante la llamada radiación térmica, que incluye: la ultravioleta (UV), la radiación visible (VIS) y la radiación infrarroja (IR). A la Tierra llega la cantidad de energía solar equivalente a 1,7 * 1014 KW. Este fenómeno físico, más conocido como radiación solar o irradiación, es el responsable de que nuestro planeta reciba en el borde superior de la atmósfera un máximo energético continuo de 1368 W/m2, valor que recibe el nombre de constante solar.

Esta cantidad total de energía se dispersa y redistribuye en el área total de la esfera terrestre. La cantidad de energía cae sobre un metro cuadrado de la Tierra es máxima en el punto donde dicha radiación incidente es perpendicular a la superficie terrestre. Dicho punto cambia diariamente ya que el eje a la superficie terrestre esta inclinado a δ= 23,5° de la elíptica. El punto más al se norte alcanza el 21 de junio (solsticio de verano), mientra que el punto más al sur se alcanza el 21 de diciembre (solsticio de invierno). En primavera y en otoño el día dura lo mismo que la noche (equinoccio).

La radiación electromagnética se propaga en el espacio en forma de ondas que se caracterizan por los parámetros de longitud (λ) y frecuencia (ν) , los cuales se relacionan mediante la expresión:

λ • ν = c

c es la velocidad de la luz en el vacío, 300.000 Km/s. Estas ondas se extienden desde longitudes de onda muy cortas, frecuencias muy altas, hasta longitudes de onda largas, frecuencias muy bajas.

La luz, llamada también luz visible o luz blanca, es uno de los componentes del espectro electromagnético que se define como “aquella parte del espectro de radiación que puede percibir el ojo humano”. La radiación del Sol tiene un máximo en la región de la luz visible. La luz visible esta compuesta de varios colores: cada uno de ellos tiene una longitud de onda específica y cuando se mezclan forman la luz blanca. La radiación UV posee longitud de onda en torno a los 500 nanómetros (nm; 1 nanómetro = 10-9m), la luz visible está en el rango 400 a 800 nm y la IR entre 1000 y 4000 nm. Un conjunto de longitudes de ondas constituye una banda y la suma de estas bandas forman el espectro de absorción de la luz visible.

La mayor cantidad de energía radiante del Sol se concentra en el rango de longitudes de onda del ultravioleta, visible e infrarrojo, en las siguientes proporciones: rayos UV 8 %, Vis 39 %, e IR cercano 53 %.

Para entender mejor cómo la energía radiante del Sol interactúa con la litosfera, hidrósfera y atmósfera, se deben conocer otras características de las radiaciones electromagnéticas que conciernen a la absorción y emisión de ellas:

  1. – toda materia emite radiación, como el caso del Sol, la Tierra, las personas;
  2. – los cuerpos calientes emiten más energía total, por unidad de área, que los cuerpos fríos;
  3. – los cuerpos con mayor temperatura emiten un máximo de radiación en longitudes de onda más cortas;
  4. – los cuerpos que son buenos absorbedores de radiación son también buenos emisores, por ejemplo, la nieve es absorbedor selectivo porque absorve mal la luz visible, pero es un buen emisor de radiación IR (infrarroja).

Un cuerpo absorbedor ideal se denomina cuerpo negro, que se define como un «objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie». El Sol, la Tierra y la nieve bajo ciertas condiciones, se comporta como un cuerpo negro.

En cuanto a los componentes de la radiación solar, conviene distinguir tres tipos de esta:

  • La radiación directa, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra, en línea recta desde el Sol pero con intensidad disminuida por los componentes de la atmósfera.
  • La radiación difusa, es la absorbida y difundida por la atmósfera, de gran importancia en días nublados, que dispersa por los componentes de la atmósfera, de modo que llega a la superficie desde diferentes puntos del sistema solar.
  • La radiación reflejada, que es la radiación, tanto directa como difusa, que se refleja en todas las superficies en las que incide
Estos tres componentes constituyen la radiación global.