Interacción de la radiación solar con la atmósfera.

3. Interacción de la radiación solar con la atmósfera.

1. Características de la radiación solar.

El sol es la principal fuente de energía para todos los procesos en el sistema Tierra, más del 99,9%. la superficie de la Tierra, suelos y océanos, y la atmósfera, absorben energía solar y la reirradian en forma de calor en todas las direcciones.

Cualquier objeto cuya temperatura esté por encima del cero absoluto emite radiación electromagnética con una determinada intensidad y longitud de onda, de manera que cuanto más alta es la temperatura del cuerpo, mayor es la cantidad de radiación emitida y menor su longitud de onda. La radiación terrestre se llama también radiación de onda larga y radiación infrarroja.

El sol emite radiación de onda corta (más enérgica) y la Tierra emite radiación de onda larga (menos enérgico).

La constante solar es la energía que llega desde el sol hasta el límie superior de la atmósfera de la Tierra, referida a una superficie unitaria que forma ángulo recto con la dirección de la radiación y tiene un valor de 2 cal/cm2/min.

Algunos gases de la atmósfera pueden absorber parte de la radiación que la Tierra emite al espacio, evitando que éste se pierda hacia el espacio exterior. Así el vapor de agua y el CO2 tienen gran cantidad de absorción de radiación terrestre que todos los otros gases combinados, contribuyendo a elevar la temperatura de la baja troposfera, lugar donde se desarrolla la vida.

2. La energía de la atmósfera: La atmósfera intercambia energía mediante tres mecanismos:
   a) La radiación electromagnética (radiación, absorción y emisión):
   Todos los cuerpos emiten energía en forma de radiación electromagnética. El espectro de longitudes de onda de esta emisión térmica depende unicamente de la temperatura.
   Como la superficie del sol está mucho más caliente que la Tierra, su radiación es más energética. El sol emite sobre todo luz y la Tierra infrarrojo lejano.
   Cuando un sistema absorbe radiación de una determinada longitud de onda, se excita emitiéndola con una longitud de onda mayor o sufre un aumento de temperatura.
   Los gases del aire son muy transparentes a la luz visible y a las longitudes de onda infrarroja y ultravioleta cercanas a ellas. Las radiaciones más enérgicas (rayos gamma, rayos X y ultravioleta) es casi totalmente absorbida en las capas altas por el O2 y el N2 lo que caracteriza la elevada temperatura de la atmósfera.
   La radiación ultravioleta de onda intermedia se absorbe en gran parte por el ozono.
   Las radiaciones de alta energía son muy perjudiciales para los seres vivos (radiaciones ionizantes), daña las moléculas biológicas (proteínas), provoca mutaciones, etc. La atmósfera tiene un efecto protector, sin la cual no se podría desarrollar la vida.
   La radiación infrarroja de onda larga, se absorbe en parte por los gases atmosféricos CO2, H2O, CH4, Cl, F, C. Esta radiación infrarroja proviene fundamentalmente de la emisión de radiación térmica.
   b) Cambios de estado del agua.
   c) Conducción térmica: Dada que la mayor parte de la luz solar llega a la superficie terrestre, las rocas, el agua y las plantas se calientan al absorberlas, cediendo parte del calor al aire. 
    
3.  Balance energético de la radiación solar.
   La radiación solar es un conjunto de radiaciones que provienen del sol. El espectro solar se puede dividir en tres segmentos, radiación visible (llega desde el sol a la Tierra en un 42%).
   - Rayos UV: La mayor parte de la energía llega de esta forma en un 9%.
   - Rayos IR: Llega en un 49%.
   El ozono absorbe la radiación UV de onda corta (0,20-0,29nm).
   El oxígeno absorbe la radiación UV (0,11-0,20nm).

La mayor parte de la radiación visible atraviesa toda la atmósfera y alcanza la superficie terrestre (exceptuando la parte reflejada de la atmósfera).

Los gases de la atmósfera apenas absorben estas radiaciones.

La radiación IR es absorbida por el agua.

• Radiación solar entrantes:
  - Reflexión: 32% de la energía solar que llega a la atmósfera es reflejada al espacio (albedo). 21% reflejado por nubes, 5% por aire y 6% superficie de la Tierra. La vegetación absorbe más radiación que las rocas.
  - Dispersión: Los gases y partículas pueden desviar la energía de la radiación solar.
  - Absorción: 18% absorbida por la atmósfera. Cuando un gas absorbe energía, aumenta la temperatura y la emite en forma de radiación térmica.
  Albedo: Es el porcentaje de radiación solar que refleja la superficie y la atmósfera. El albedo medio de la Tierra es un 30%. Dado que esta radiación no se absorbe un aumento del albedo favorece una disminución de la temperatura.
  Cuanto mayor sea la cantidad de polvo, aerosoles y nubes en la atmósfera más energía es reflejada.
  La vegetación absorbe más radiación que las rocas, siendo mayor el albedo que en los bosques. Por otra parte las plantas evaporan una gran cantidad de agua (vapor) y el hielo presenta el mayor albedo.
• Radiación solar saliente: El 50% de la energía solar que alcanza la atmósfera, llega a la superficie de la Tierra y es absorbida en el suelo. La mayor parte de esta energía es re-irradiada hacia el cielo. Pero como la Tierra tiene una temperatura mucho menor que la del sol, la radiación terrestre es emitida en longitudes de onda larga.
  - Un 25% se pierde como calor latente a través del vapor de agua.
  - Un 7% calor sensible, asciende por movimientos turbulentos y se pierde por conducción directa a la atmósfera.
  - Un 18% en forma de radiación de onda larga.
  - Un 96% en forma de contra-radiación atmosférica.
• Radiación terrestre: El suelo y la superficie de los océanos poseen energía térmica procedente de la absorción de los rayos del sol, por lo que también emite radiación hacia la atmósfera (radiación IR) demás de 4nm de longitud de onda. Esta radiación es absorbida por la atmósfera por los llamados gases invernaderos: CO2 y vapor.
  
  
  4. Función protectora de la atmósfera.
  La atmósfera absorbe parte de la radiación que llega del sol antes de que esta llegue a la superficie sólida del planeta y, además, lo hace de forma selectiva. Estos procesos son de suma importancia para los seres vivos ya que algunas radiaciones, especialmente la de onda corta (más energética) producen efectos nocivos (mutación, cáncer, etc). Las capas altas de la atmósfera funcionan como un filtro que protege a los seres vivos de las radiaciones perjudiciales.
• Inosfera: absorbe las radiaciones electromagnéticas de onda corta, o sea, rayos X, rayos Y y parte de los UV. Estas radiaciones son absorbidas por el H y el N, y al ionizarse provocan el incremento en la temperatura de esta capa. Aún en dosis moderadas, las radiaciones ionizantes aumentan la probabilidad de contraer cáncer, y esta probabilidad aumenta con la dosis recibida. Además, la exposición a latas dosis de radiación ionizantes puede causar quemaduras de la piel, caída del cabello, náuseas...
• Ozonosfera: Se localiza en la estratosfera y en ella se encuentra la mayor parte de ozono atmosférico (03) responsable de la absorción de la radiación UV, lo que origina variaciones diarias y estacionales, en función de la radiación solar.

5. Función reguladora de la atmósfera.
   - El efecto invernadero natural: Se origina en los primeros 12km de la atmósfera por la presencia de ciertos gases tales como: vapor de agua, CO2, CH4 y N2O. Estos son transparentes a la radiación visible del sol, pero no a la IR emitida por la superficie terrestre, previamente calentada por el sol. Los citados gases, al impedir la salida de gran parte de las radiaciones IR, las reemiten o devuelven a la Tierra, incrementando la temperatura de la atmósfera.
   La cantidad de calor atrapado dependerá de la concentración de los gases de efecto invernadero en la atmósfera, que se encuentra asociada a múltiples ciclos naturales, como el ciclo del agua y el ciclo del carbono, que resultan de las interacciones de la atmósfera con otros subsistemas terrestres.
   Si no hubiera atmósfera, y por tanto no hubiese gases con capacidad de absorción de radiaciones de onda larga rodeando la superficie sólida y líquida del planeta, la temperatura media en la superficie sería de unos -18ºC en lugar de los 15ºC.
   - La atmósfera como reguladora del clima terrestre: La radiación solar de onda corta que llega a la superficie terrestre es emitida de nuevo hacia la atmósfera en forma de IR, pero la atmósfera es opaca a la mayor parte de esta radiación por lo que es absorbida por los gases de la atmósfera (vapor de agua, CO2 y O2) lo que junto con el calor latente y el calor sensible desprendidos provocan su calentamiento y la re-irradiación de esta energía de nuevo hacia la superficie (efecto invernadero). Esto da lugar a que la temperatura es superficie sea mayor de la que existiría en ausencia de envoltura gaseosa.
   
   
6. Aprovechamiento energético: La energía solar.
   Las energías renovables son generadas por el sol.
   a) Sistema fototérmico: consiste en el aprovechamiento de la energía del sol para producir calor (mediante el uso de paneles térmicos), que puede aprovecharse (cocinar, agua caliente...).
   b) Sistema fotovoltaico: transforma la energía luminosa en eléctrica cuando incide la radiación solar sobre un semiconductor.
   
   
   - Inconvenientes: fuerte impacto visual, grandes extensiones de terreno, ensombrecimiento de la superficie ocupada (crea un microclima), intermitencia de su producción y dificultad de almacenamiento de la energía excedentaria.
   - Ventajas: gratituidad del combustible, independencia del suministro, energía autóctona, inagotable y limpia y bajo impacto ecológico.