miniatura|Espectro de la irradiancia solar en la parte superior de la atmósfera|320x320px upright=1.5|miniatura|El efecto escudo de la atmósfera terrestre sobre la radiación solar. La imagen superior es la irradiación solar media anual (o insolación) en la parte superior de la atmósfera terrestre (Top Of Atmosphere-TOA); la imagen inferior muestra la insolación anual que llega a la superficie de la Tierra después de atravesar la atmósfera. Debe tenerse en cuenta que las dos imágenes utilizan la misma escala de color. La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. El Sol es una estrella cuya superficie se encuentra a una temperatura media de 5778 K (5505 °C) y en cuyo interior tienen lugar una serie de reacciones de fusión nuclear que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la radiación solar. La superficie del Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro, el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a la temperatura ya citada. La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas son absorbidas por los gases de la atmósfera. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la potencia que por unidad de superficie alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m².
Distribución espectral de la radiación solar Aplicando la ley de Planck al Sol, cuya temperatura superficial es de aproximadamente 6000 K, se obtiene que el 99 % de la radiación emitida se encuentra entre las longitudes de onda de 0,15 y 4 . Esto implica que la mayor parte de la radiación solar pertenece a las regiones del ultravioleta, visible e infrarroja del espectro electromagnético. La luz visible se extiende aproximadamente entre 380 nm y 830 nm.
La atmósfera terrestre actúa como un filtro que bloquea parte de esta radiación. Por ejemplo, las longitudes de onda inferiores a 0,29 son fuertemente absorbidas por el ozono y el oxígeno, lo cual impide que la radiación ultravioleta más energética —y potencialmente peligrosa para la salud— alcance la superficie. En cambio, la radiación visible y la infrarroja cercana y media sí logran atravesar la atmósfera, contribuyendo al calentamiento terrestre mediante la excitación vibracional de las moléculas de los objetos.
La atmósfera es opaca a la radiación infrarroja con longitudes de onda superiores a 24 , lo que no afecta a la radiación solar (que se encuentra por debajo de ese umbral), pero sí a la radiación emitida por la Tierra, que puede alcanzar hasta 40 . Esta es absorbida en gran medida por gases atmosféricos, dando lugar al fenómeno conocido como efecto invernadero.
El máximo de emisión solar, según la ley de desplazamiento de Wien, ocurre alrededor de los 0,475 . Aplicando dicha ley:
Sin embargo, el espectro solar real difiere del de un cuerpo negro ideal, especialmente en el rango ultravioleta. En el infrarrojo, la radiación solar se asemeja a la de un cuerpo negro a 5779 K, mientras que en el visible se aproxima a los 6090 K. Estas diferencias indican que la radiación se origina en distintas capas solares, cada una con temperaturas características.
Efectos de la radiación solar sobre los gases atmosféricos La atmósfera es diatérmana, es decir, que no es calentada directamente por la radiación solar, sino de manera indirecta a través de la reflexión de dicha radiación en el suelo y en la superficie de mares y océanos.
Los fotones según su energía o longitud de onda son capaces de: Fotoionizar la capa externa de electrones de un átomo (requiere una longitud de onda de 0,1 ). Excitar electrones de un átomo a una capa superior (requiere longitudes de onda de entre 0,1 y 1 ). Disociar una molécula (requiere longitudes de onda de entre 0,1 y 1 ). Hacer vibrar una molécula (requiere longitudes de onda de entre 1 y 50 ). Hacer rotar una molécula (requiere longitudes de onda mayores que 50 ). La energía solar tiene longitudes de onda de entre 0,15 y 4 , por lo que puede ionizar un átomo, excitar electrones, disociar una molécula o hacerla vibrar.
La energía térmica de la Tierra (radiación infrarroja) 3 a 80 , por lo que solo puede hacer vibrar o rotar moléculas, es decir, calentar la atmósfera.
La energía solar como motor de la atmósfera La energía recibida del sol, después de atravesar la atmósfera terrestre casi sin calentarla por el efecto de la diatermancia de la atmósfera, es reflejada por la superficie terrestre y calienta el aire de la capa inferior de la atmósfera perdiendo esa capacidad de calentamiento con rapidez con la altura, lo cual se debe a que la irradiación del calor (rayos infrarrojos) a partir de la superficie terrestre hacia arriba tiene un alcance relativamente limitado, por la mayor longitud de onda, provocando alteraciones en la densidad de los gases y, por consiguiente, desequilibrios que causan la circulación atmosférica. Esta energía produce la temperatura en la superficie terrestre, y el efecto de la atmósfera es mitigar la diferencia de temperaturas entre el día y la noche y entre las distintas zonas geoastronómicas de nuestro planeta.
Casi la totalidad de la energía utilizada por los seres vivos procede del Sol. Las plantas la absorben directamente y realizan la fotosíntesis, los herbívoros absorben indirectamente una pequeña cantidad de esta energía comiendo las plantas, y los carnívoros absorben indirectamente una cantidad más pequeña comiendo a otros animales.
Así pues, la mayoría de las fuentes de energía usadas por el hombre derivan indirectamente del Sol. Los combustibles fósiles preservan energía solar capturada hace millones de años mediante la fotosíntesis. La energía hidroeléctrica usa la energía potencial del agua que, a través del ciclo hidrológico, pasa por los tres estados físicos de la materia (evaporación del agua oceánica, condensación, precipitación y escurrimiento o escorrentía), con lo que se puede aprovechar dicha fuente de energía mediante represas y saltos de agua. La energía eólica es otra forma de aprovechamiento de la radiación solar, ya que ésta, al calentar con diferente intensidad distintas zonas de la superficie terrestre, da origen a los vientos, que pueden ser utilizados para generar electricidad, mover embarcaciones, bombear las aguas subterráneas y otros muchos usos.
Efectos sobre la salud miniatura|derecha|Espectro de la radiación solar por encima de la atmósfera y a nivel del mar.|328x328px
La exposición exagerada a la radiación solar puede ser perjudicial para la salud. Esto está agravado por el aumento de la expectativa de vida humana, que está llevando a toda la población mundial a permanecer más tiempo expuesto a las radiaciones solares, lo que aumenta el riesgo de desarrollar cáncer de piel o quemarte.
La radiación ultravioleta es emitida por el Sol en longitudes de onda que van aproximadamente desde los 150 nm (1500 Å), hasta los 400 nm (4000 Å), en las formas UV-A, UV-B y UV-C, pero a causa de la absorción por parte de la atmósfera terrestre, el 99 % de los rayos ultravioletas que llegan a la superficie de la Tierra son del tipo UV-A. Ello nos libra de la radiación ultravioleta más peligrosa para la salud. La atmósfera ejerce una fuerte absorción que impide que la atraviese toda radiación con longitud de onda inferior a 290 nm (2900 Å). La radiación UV-C no llega a la tierra porque es absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera, por lo tanto no produce daño. La radiación UV-B es parcialmente absorbida por el ozono y llega a la superficie de la tierra, produciendo daño en la piel. Ello se ve agravado por el agujero de ozono que se produce en los polos del planeta.
Dirección de incidencia mini|300px|Mapa de la radiación solar horizontal en el planeta. El lugar que más recibe es el desierto de Atacama en Chile, superando los siete kWh/m². mini|300px|Mapa de la radiación solar normal en el planeta. El estudio de la dirección con la cual incide la irradiación solar sobre los cuerpos situados en la superficie terrestre es de especial importancia cuando se desea conocer su comportamiento al ser reflejada. La dirección en que el rayo salga reflejado dependerá de la incidente.
Con tal fin se establece un modelo que distingue entre dos componentes de la irradiación incidente sobre un punto: la irradiación solar directa y la irradiación solar difusa.
Irradiación solar directa. es aquella que llega al cuerpo desde la dirección del Sol. Irradiación solar difusa. es aquella cuya dirección ha sido modificada por diversas circunstancias (densidad atmosférica, partículas u objetos con los que choca, reemisiones de cuerpos, etc.). Por sus características, esta luz se considera venida de todas direcciones. En un día nublado, por ejemplo, solo tenemos radiación difusa.
La suma de ambas es la irradiación total (o global) incidente. La superficie del planeta está expuesta a la radiación proveniente del Sol. La tasa de irradiación depende en cada instante del ángulo que forman la normal a la superficie en el punto considerado y la dirección de incidencia de los rayos solares. Por supuesto, dada la lejanía del Sol respecto de nuestro planeta podemos suponer, con muy buena aproximación, que los rayos del Sol inciden esencialmente paralelos sobre el planeta. No obstante, en cada punto del mismo, localmente considerado, la inclinación de la superficie respecto a dichos rayos depende de la latitud y de la hora del día para una cierta localización en longitud. Dicha inclinación puede definirse a través del ángulo que forman el vector normal a la superficie en dicho punto y el vector paralelo a la dirección de incidencia de la radiación solar.
Debemos evitar la exposición prolongada al sol, puesto que esta representa una agresión contra la piel que puede producir el envejecimiento de la misma, la aparición de manchas o arrugas y es la responsable de la aparición de melanomas o cánceres de piel. Una exposición moderada al sol, especialmente los primeros días una protección del sol con la ropa adecuada, o el uso de cremas solares son la mejor prevención contra quemaduras producidas por el sol.
Radioondas Solares En 1942 los radares captaron las primeras radioondas de origen solar; En la actualidad, las radioondas solares son estudiadas con radiotelescopios para longitudes de onda que van desde varios milímetros hasta una veintena de metros. Las radio ondas más cortas son emitidas principalmente por la parte más baja de la cromosfera y las más largas por la corona. Durante el periodo de calma del Sol (coincidente con el mínimo de manchas), la fuerza de las radioemisiones corresponden a la que se puede esperar de un cuerpo a la temperatura dé la cromosfera y de la corona solares. Pero, cuando el sol está en actividad y las manchas y las protuberancias son numerosas, aumentan también las radioemisiones y se notan bruscos aumentos de intensidad (radio tempestades) que se superponen a las radioondas ordinarias. Cuando en el Sol se observan erupciones importantes, se registran explosiones y rumores particularmente intensos y de pocos minutos de duración. En tales casos se cree que con las erupciones son expulsadas enormes oleadas de protones y otras partículas a velocidades de varios miles de kilómetros por segundos que alcanzan la Tierra un día después y producen las tempestades magnéticas.
Radiación solar en el planeta Tierra La mayor parte de la energía que llega a nuestro planeta procede del Sol. El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética. Estas radiaciones se distinguen por sus diferentes longitudes de onda. Algunas, como las ondas de radio, llegan a tener longitudes de onda de kilómetros, mientras que las más energéticas, como los rayos X o las radiaciones gamma, tienen longitudes de onda de milésimas de nanómetro.