No toda la radiación proveniente del sol y del espacio exterior llega hasta la superficie terrestre de manera inalterada. De hecho menos de una tercera parte lo hace. En ello la atmósfera terrestre juega un papel fundamental, al funcionar como un filtro que tamiza buena parte de esa radiación e incluso como un escudo protector contra las radiaciones que resultan más peligrosas para los seres vivos.
Para entender la forma en que la atmósfera interactúa con la radiación exterior podemos establecer dos grandes aproximaciones. La primera y más simple considera las cantidades proporcionales de radiación que es reflejada, absorbida, y dispersada por la atmósfera, mientras que la segunda, más compleja, describe los cambios en la distribución espectral de la radiación solar provocados por los diferentes componentes de la atmósfera.
Sin embargo una comprensión más amplia de la incidencia de la radiación solar sobre la superficie terrestre implica considerar las variaciones en su intensidad debidas a la ubicación geográfica, la fecha y el momento del día. Incluso, desde un punto de vista arquitectónico, resulta importante comprender cómo la intensidad de la radiación solar sobre un plano (una cubierta, por ejemplo) dependerá en gran medida del ángulo entre dicho plano y la dirección de los rayos solares. En los siguientes párrafos trataremos de describir estos aspectos.
Balance térmico y cantidades proporcionales de radiación solar
En términos generales y en el largo plazo, el intercambio de energía entre el Sol y la Tierra presenta un estado de balance térmico, lo cual quiere decir que las cantidades globales de energía que ésta última recibe tienden a ser equivalentes a las que emite. Si ese balance térmico se rompiera, dando lugar a un desequilibrio prolongado, la Tierra se enfriaría o calentaría paulatinamente hasta volverse inhabitable (de hecho es lo que muchos científicos asumen que está sucediendo actualmente, aunque de manera relativamente moderada, dando lugar a fenómenos como el calentamiento global).
La parte superior de la atmósfera recibe una cantidad de energía solar equivalente a 1,367 W/m2, parámetro que se conoce como insolación o constante solar. Sin embargo, debido a que en un momento dado solo la mitad de la esfera terrestre se encuentra expuesta a la radiación solar, ese valor suele dividirse entre 4 para obtener una radiación incidente promedio de 342 W/m2. Esa energía se distribuye de la siguiente manera, también en valores promedio:
- 77 W/m2 (22%) es reflejada de nuevo al espacio por la atmósfera.
- 67 W/m2 (20%) es absorbida por la atmósfera.
- 198 W/m2 (58%) atraviesa la atmósfera y llega a la superficie terrestre, aproximadamente la mitad (29%) como radiación difusa (por efecto de la misma atmósfera) y la otra mitad (29%) como radiación directa (que atraviesa la atmósfera prácticamente sin interferencia).
342 W/m2 (radiación incidente) – 77 W/m2 (radiación reflejada por la atmósfera) – 67 W/m2 (radiación absorbida por la atmósfera) – 30 W/m2 (radiación reflejada por la superficie terrestre) – 168 W/m2 (radiación absorbida por la superficie terrestre) = 0
Como se ha mencionado, este planteamiento implica el manejo de promedios globales, lo cual representa una simplificación de los fenómenos involucrados. En realidad estos valores suelen presentar variaciones importantes. Por ejemplo, en las partes de la Tierra cuyo cielo se encuentra cubierto de nubes densas la reflexión hacia el espacio es mayor al 22%. Así mismo, la radiación reflejada por la superficie terrestre (sin contar los océanos) varía en gran medida dependiendo de sus características particulares: las superficies con vegetación profusa solo reflejan entre el 5% y el 10% de la radiación recibida, las superficies con pasto entre el 15% y el 25%, las zonas arenosas (como los desiertos) entre el 35% y el 45%, y las superficies cubiertas de nieve reciente hasta el 95%.
Existen otros fenómenos interesantes relacionados con el intercambio de energía radiante de la Tierra. Por ejemplo, las superficies construidas de las zonas urbanas también reflejan la radiación solar en diversas proporciones, aunque generalmente es más la radiación absorbida, lo cual da lugar a lo que se conoce como islas de calor. Por otro lado, la superficie terrestre tienden a reirradiar buena parte de su energía durante la noche, lo cual sucede de manera más eficiente cuando el cielo se encuentra despejado. Esa es la razón por la que en algunos lugares las madrugadas suelen ser más frías cuando el cielo se encuentra despejado.
Variación espectral de la radiación solar
Como se explica en el tópico Espectro de la radiación solar, la radiación electromagnética proveniente del sol se distribuye en un amplio rango de frecuencias. La radiación ultravioleta (UV) representa apenas un 8-9% del total de la energía contenida por la insolación. El rango visible representa el 46-47% del total de la energía recibida del sol. Casi la totalidad del restante 45% se encuentra en rangos cercanos al infrarrojo.
Sin embargo existen diferencias significativas entre la distribución espectral de la radiación que incide sobre la parte exterior de la atmósfera y la distribución espectral de la radiación que llega a la superficie terrestre. Esto es debido principalmente a que las moléculas de gas y las partículas suspendidas absorben una parte de la radiación y retienen una fracción de energía en forma de calor, provocando atenuaciones significativas en la intensidad de la radiación solar.
Los rayos X y otras radiaciones de onda muy corta del espectro solar son absorbidos en gran medida en la ionosfera por el nitrógeno, el oxígeno y otros componentes atmosféricos. La mayor parte de los rayos ultravioleta, por su parte, son absorbidos por el ozono. Para longitudes de onda superiores a 2,5 ?m se produce una fuerte absorción debida al dióxido de carbono y al agua presentes en la atmósfera, por lo que llega muy poca radiación de este tipo hasta la superficie terrestre. En lo que respecta a las aplicaciones terrestres de la energía solar, las radiaciones más importantes tienen longitudes de onda comprendidas entre 0,29 ?m y 2,5 ?m. Estas radiaciones también son las que más variaciones sufren debido a la difusión y la absorción.
Variaciones temporales (estacionales y diarias) de la radiación solar
Si la atmósfera juega un papel fundamental en la intensidad y composición de la radiación que llega hasta nosotros, como se ha expresado, entonces debemos reconocer un simple hecho: mientras mayor sea la porción de atmósfera terrestre atravesada por los rayos solares antes de alcanzar la superficie terrestre, mayor será ese efecto. Esto se debe fundamentalmente a que una cantidad mayor de radiación solar será absorbida, dispersada y re-irradiada al espacio. Ahora bien, ¿cuándo y en qué forma varía la porción de atmósfera que deben atravesar los rayos solares? Para responder a esta pregunta podemos referirnos a dos conceptos básicos, las variaciones estacionales y las variaciones diarias.
Como se explica en el artículo Movimientos terrestres y variaciones temporales, la inclinación constante del eje norte-sur de la Tierra durante el movimiento de traslación que ésta hace alrededor del sol provoca que los rayos solares incidan con diferentes ángulos sobre un punto determinado de la superficie terrestre a lo largo del año. Dicho de otra manera, para un mismo sitio los recorridos aparentes del sol tendrán variaciones estacionales importantes durante el ciclo anual. Así, durante el mes de junio el hemisferio norte del planeta se inclina hacia el sol, con lo que no sólo se acerca él (lo cual en realidad tiene un efecto reducido), sino que recibe los rayos del sol en forma más directa, es decir, atravesando una porción menor de la atmósfera. Durante ese mismo mes, en el hemisferio sur sucede lo contrario: al “alejarse” del sol la radiación incide sobre la atmósfera con ángulos más bajos y por lo tanto atraviesan una mayor porción de ésta antes de llegar a la superficie.
En términos simples, esto explica las diferencias en las tasas de incidencia de la radiación solar que hacen que el hemisferio norte se encuentre en verano mientras que el hemisferio sur se encuentra en invierno. Obviamente en las latitudes elevadas, tanto hacia el norte como hacia el sur, este efecto se siente de manera más intensa, mientras que en la franja ecuatorial las variaciones anuales en la incidencia de la radiación solar no son tan importantes.
En los ciclos diarios generados por el movimiento de rotación que la tierra efectúa sobre su propio eje sucede un fenómeno similar. Durante el amanecer y el atardecer, en un punto determinado de la superficie terrestre los rayos solares inciden con ángulos muy bajos y atraviesan una porción mayor de la atmósfera. Nuevamente, esto provoca una disminución importante de la intensidad de la radiación solar, hasta el punto de que es posible ver directamente al sol. Justo hacia el mediodía sucede lo contrario: el sol se encuentra en su posición más elevada posible, de acuerdo a la latitud del sitio y la fecha del año, y atraviesa una porción menor de la atmósfera terrestre antes de incidir sobre ella. La radiación solar se intensifica entonces de manera importante.
Este fenómeno se relaciona estrechamente con las oscilaciones diarias de la temperatura, aunque estas no se corresponden exactamente con los momentos de máxima y mínima radiación, debido al efecto de masa térmica (acumulación de calor) de la superficie terrestre. Así, las temperaturas mínimas suelen darse hacia las 5:00-7:00 AM, justo antes de la salida del sol, mientras que las máximas se dan generalmente hacia las 2:00-4:00 PM.
Los índices de nubosidad también juegan un papel importante en la cantidad de radiación solar que llega a la tierra. Un cielo nublado reduce significativamente la radiación solar directa y, si bien al mismo tiempo puede incrementar ligeramente la difusa, el balance final es una reducción de la radiación global que llega hasta nosotros. Este fenómeno puede afectar las variaciones estacionales explicadas arriba, ya sea enfatizándolas o matizándolas, dependiendo de las temporadas en que se presenten mayores índices de nubosidad.
Nota: La radiación solar que llega directamente a la superficie terrestre se conoce como Radiación Solar Directa. La radiación que llega a la superficie terrestre después de que ha sido desviada y rebotada se conoce como Radiación Solar Difusa. La suma del componente directo y el difuso, al incidir sobre una superficie horizontal, constituye la Radiación Solar Global Horizontal. Para saber más sobre estos conceptos se puede consultar el tópico Radiación solar.
Intensidad de la radiación solar sobre una superficie
Finalmente, existe otro fenómeno que afecta la intensidad de la radiación solar sobre un lugar determinado. También se relaciona con el ángulo de incidencia, pero en este caso no por la porción de atmósfera que los rayos solares deben atravesar, sino por la distribución de estos sobre las superficies en las que se proyectan.
Para visualizar este fenómeno imaginemos la radiación solar como un paquete de rayos, los cuales debido al tamaño relativo del sol respecto a la tierra se pueden considerar paralelos y equidistantes entre sí. Cuando ese paquete de rayos incide sobre una superficie perpendicular a su dirección, su “densidad de incidencia” es la máxima posible (mayor número de rayos por unidad de área). Conforme el ángulo de incidencia de los rayos solares se reduce (menos de 90°), el mismo paquete de rayos se distribuye en una mayor superficie, es decir, disminuye la densidad de incidencia (menor número de rayos por unidad de superficie). Edward Mazria, en su obra El libro de la energía solar pasiva, ejemplifica esta situación mediante un haz de lápices que representa el paquete de rayos solares.
Esta variación de la intensidad de la radiación solar puede entenderse a gran escala, por ejemplo considerando la superficie terrestre de manera global, pero también puede considerarse en relación con superficies relativamente pequeñas, como los planos conformados por los cerramientos de los edificios. De especial interés resultan las cubiertas, que suelen ser las superficies más afectadas por la radiación solar. En algunos sistemas arquitectónicos de climas extremadamente cálidos y áridos, las cubiertas de tierra abovedadas han demostrado una cierta capacidad para disminuir el efecto de la radiación solar, entre otras cosas porque su geometría permite sacar provecho del fenómeno descrito líneas arriba.
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