Radiacion solar

"Insolation" vuelve a dirigir aquí. No debe confundirse con Aislamiento (desambiguación) .

El efecto escudo de la atmósfera terrestre sobre la irradiación solar. La imagen superior es la irradiación solar media anual (o insolación) en la parte superior de la atmósfera terrestre (TOA); la imagen inferior muestra la insolación anual que llega a la superficie de la Tierra después de atravesar la atmósfera. Tenga en cuenta que las dos imágenes utilizan la misma escala de colores.

La irradiancia solar es la potencia por unidad de área recibida del Sol en forma de radiación electromagnética medida en el rango de longitud de onda del instrumento de medición. La irradiancia solar se mide en vatios por metro cuadrado (W / m ² ) en unidades SI . La irradiancia solar a menudo se integra durante un período de tiempo dado para informar la energía radiante emitida al entorno circundante ( julios por metro cuadrado, J / m ² ) durante ese período de tiempo. Esta irradiancia solar integrada se llama irradiación solar , exposición solar, insolación solar o insolación .

La irradiancia puede medirse en el espacio o en la superficie de la Tierra después de la absorción y dispersión atmosférica . La irradiancia en el espacio es una función de la distancia al Sol, el ciclo solar y los cambios entre ciclos. ^{[1] La} irradiancia en la superficie de la Tierra depende además de la inclinación de la superficie de medición, la altura del sol sobre el horizonte y las condiciones atmosféricas. ^[2] La irradiancia solar afecta el metabolismo de las plantas y el comportamiento de los animales. ^[3]

El estudio y la medición de la irradiancia solar tienen varias aplicaciones importantes, incluida la predicción de la generación de energía a partir de plantas de energía solar , las cargas de calefacción y refrigeración de edificios, y el modelado climático y la previsión meteorológica.

Tipos

Mapa global de radiación horizontal global ^[4]

Mapa global de radiación normal directa ^[4]

Hay varios tipos medidos de irradiancia solar.

• La irradiancia solar total (TSI) es una medida de la energía solar en todas las longitudes de onda por unidad de área incidente en la atmósfera superior de la Tierra . Se mide perpendicular a la luz solar entrante. ^[2] La constante solar es una medida convencional del TSI medio a una distancia de una unidad astronómica (AU).
• La irradiancia normal directa (DNI), o radiación de haz , se mide en la superficie de la Tierra en una ubicación determinada con un elemento de superficie perpendicular al Sol. ^[5] Excluye la radiación solar difusa (radiación que es dispersada o reflejada por componentes atmosféricos). La irradiancia directa es igual a la irradiancia extraterrestre sobre la atmósfera menos las pérdidas atmosféricas debidas a la absorción y la dispersión . Las pérdidas dependen de la hora del día (la longitud del camino de la luz a través de la atmósfera según el ángulo de elevación solar ), la cobertura de nubes , el contenido de humedad y otros contenidos. La irradiancia sobre la atmósfera también varía con la época del año (porque la distancia al sol varía), aunque este efecto es generalmente menos significativo en comparación con el efecto de las pérdidas en el DNI.
• La irradiancia horizontal difusa (DHI) o radiación difusa del cielo es la radiación en la superficie de la Tierra de la luz dispersada por la atmósfera. Se mide en una superficie horizontal con radiación proveniente de todos los puntos del cielo excluyendo la radiación circunsolar (radiación proveniente del disco solar). ^{[5] [6]} Casi no habría DHI en ausencia de atmósfera. ^[5]
• La irradiancia horizontal global (GHI) es la irradiancia total del sol sobre una superficie horizontal de la Tierra. Es la suma de la irradiancia directa (después de tener en cuenta el ángulo cenital solar del sol z ) y la irradiancia horizontal difusa: ^[7]

  ${\displaystyle {\text{GHI}}={\text{DHI}}+{\text{DNI}}\times \cos(z)}$

• Irradiancia inclinada global (GTI) o es la radiación global recibida en una superficie con inclinación y acimut definidos, fija o con seguimiento solar. El GTI puede medirse ^[6] o modelarse a partir de GHI, DNI, DHI. ^{[8] [9] [10]} A menudo es una referencia para las plantas de energía fotovoltaica , mientras que los módulos fotovoltaicos se montan en las construcciones fijas o de seguimiento.
• La irradiancia normal global (GNI) es la irradiancia total del sol en la superficie de la Tierra en una ubicación determinada con un elemento de superficie perpendicular al sol.

Unidades

La unidad SI de irradiancia es vatio por metro cuadrado (W / m ² = Wm ⁻² ).

Una unidad de medida alternativa es Langley (1 caloría termoquímica por centímetro cuadrado o 41,840  J / m ² ) por unidad de tiempo.

La industria de la energía solar utiliza vatios-hora por metro cuadrado (Wh / m ² ) por unidad de tiempo ^{[ cita requerida ]} . La relación con la unidad SI es así:

1 kW / m ² × (24 h / día) = (24 kWh / m ² ) / día

(24 kWh / m ² ) / día × (365 días / año) = (8760 kWh / m ² ) / año.

Irradiación en la parte superior de la atmósfera

Triángulo esférico para la aplicación de la ley esférica de los cosenos para el cálculo del ángulo cenital solar Θ para el observador en latitud φ y longitud λ a partir del conocimiento del ángulo horario hy la declinación solar δ. (δ es la latitud del punto subsolar y h es la longitud relativa del punto subsolar).

La distribución de la radiación solar en la parte superior de la atmósfera está determinada por la esfericidad y los parámetros orbitales de la Tierra . Esto se aplica a cualquier haz unidireccional incidente en una esfera giratoria. La insolación es esencial para la predicción numérica del tiempo y la comprensión de las estaciones y el cambio climático . La aplicación a las edades de hielo se conoce como ciclos de Milankovitch .

La distribución se basa en una identidad fundamental de la trigonometría esférica , la ley esférica de los cosenos :

${\displaystyle \cos(c)=\cos(a)\cos(b)+\sin(a)\sin(b)\cos(C)}$

donde una , b y c son longitudes de arco, en radianes, de los lados de un triángulo esférico. C es el ángulo en el vértice opuesto al lado que tiene una longitud de arco c . Aplicado al cálculo del ángulo cenital solar Θ, se aplica lo siguiente a la ley esférica de los cosenos:

${\displaystyle C=h}$

${\displaystyle c=\Theta }$

${\displaystyle a={\tfrac {1}{2}}\pi -\phi }$

${\displaystyle b={\tfrac {1}{2}}\pi -\delta }$

${\displaystyle \cos(\Theta )=\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\cos(h)}$

Esta ecuación también se puede derivar de una fórmula más general: ^[11]

${\displaystyle {\begin{aligned}\cos(\Theta )=\sin(\phi )\sin(\delta )\cos(\beta )&+\sin(\delta )\cos(\phi )\sin(\beta )\cos(\gamma )+\cos(\phi )\cos(\delta )\cos(\beta )\cos(h)\\&-\cos(\delta )\sin(\phi )\sin(\beta )\cos(\gamma )\cos(h)-\cos(\delta )\sin(\beta )\sin(\gamma )\sin(h)\end{aligned}}}$

donde β es un ángulo de la horizontal y γ es un ángulo de acimut .

${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}}$, la irradiación teórica promedio diaria en la parte superior de la atmósfera, donde θ es el ángulo polar de la órbita de la Tierra, y θ = 0 en el equinoccio de primavera y θ = 90 ° en el solsticio de verano; φ es la latitud de la Tierra. El cálculo supuso condiciones apropiadas para 2000  d.C .: una constante solar de S ₀  = 1367 W m ⁻² , oblicuidad de ε = 23.4398 °, longitud del perihelio de ϖ = 282.895 °, excentricidad e  = 0.016704. Las etiquetas de contorno (verde) están en unidades de W m ⁻² .

La separación de la Tierra del sol se puede denotar como R _E y la distancia media se puede denotar con R ₀ , aproximadamente 1 unidad astronómica (AU). La constante solar se denota S ₀ . La densidad de flujo solar (insolación) en un plano tangente a la esfera de la Tierra, pero por encima de la masa de la atmósfera (elevación de 100 km o más) es:

${\displaystyle Q={\begin{cases}S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\cos(\Theta )&\cos(\Theta )>0\\0&\cos(\Theta )\leq 0\end{cases}}}$

El promedio de Q durante un día es el promedio de Q en una rotación, o el ángulo horario que progresa de h  = π ah  = −π:

${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}=-{\frac {1}{2\pi }}{\int _{\pi }^{-\pi }Q\,dh}}$

Sea h ₀ el ángulo horario cuando Q se vuelve positivo. Esto podría ocurrir al amanecer cuando , o para h ₀ como una solución de${\displaystyle \Theta ={\tfrac {1}{2}}\pi }$

${\displaystyle \sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\cos(h_{o})=0\,}$

o

${\displaystyle \cos(h_{o})=-\tan(\phi )\tan(\delta )}$

Si tan (φ) tan (δ)> 1, entonces el sol no se pone y el sol ya salió en h  = π, entonces h _o  = π. Si tan (φ) tan (δ) <−1, el sol no sale y .${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}=0}$

${\displaystyle {\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}}$ es casi constante en el transcurso de un día y puede tomarse fuera de la integral

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{\pi }^{-\pi }Q\,dh&=\int _{h_{o}}^{-h_{o}}Q\,dh\\&=S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\int _{h_{o}}^{-h_{o}}\cos(\Theta )\,dh\\&=S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\sin(h)\right]_{h=h_{o}}^{h=-h_{o}}\\&=-2S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h_{o}\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\sin(h_{o})\right]\end{aligned}}}$

Por lo tanto:

${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}={\frac {S_{o}}{\pi }}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h_{o}\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\sin(h_{o})\right]}$

Sea θ el ángulo polar convencional que describe una órbita planetaria . Sea θ  = 0 en el equinoccio de primavera . La declinación δ en función de la posición orbital es ^{[12] [13]}

${\displaystyle \delta =\varepsilon \sin(\theta )}$

donde ε es la oblicuidad . La longitud convencional del perihelio ϖ se define en relación con el equinoccio vernal, por lo que para la órbita elíptica:

${\displaystyle R_{E}={\frac {R_{o}}{1+e\cos(\theta -\varpi )}}}$

o

${\displaystyle {\frac {R_{o}}{R_{E}}}={1+e\cos(\theta -\varpi )}}$

Con el conocimiento de ϖ, ε ye de cálculos astrodinámicos ^[14] y S _o de un consenso de observaciones o teoría, se puede calcular para cualquier latitud φ y θ. Debido a la órbita elíptica y como consecuencia de la segunda ley de Kepler , θ no progresa uniformemente con el tiempo. Sin embargo, θ  = 0 ° es exactamente el momento del equinoccio de primavera, θ  = 90 ° es exactamente el momento del solsticio de verano, θ  = 180 ° es exactamente el momento del equinoccio de otoño y θ  = 270 ° es exactamente el momento de el solsticio de invierno.${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}}$

Una ecuación simplificada para la irradiancia en un día determinado es: ^[15]

${\displaystyle Q\approx S_{0}\left(1+0.034\cos \left(2\pi {\frac {n}{365.25}}\right)\right)}$

donde n es un número de un día del año.

Variación

La irradiancia solar total (TSI) ^[16] cambia lentamente en escalas de tiempo decenales y más largas. La variación durante el ciclo solar 21 fue de aproximadamente 0,1% (pico a pico). ^[17] En contraste con las reconstrucciones más antiguas, ^[18] las reconstrucciones TSI más recientes apuntan a un aumento de sólo alrededor de 0.05% a 0.1% entre el Mínimo de Maunder y el presente. ^{[19] [20] [21]} La irradiancia ultravioleta (EUV) varía aproximadamente un 1,5 por ciento desde los máximos a los mínimos solares, para longitudes de onda de 200 a 300 nm. ^[22] Sin embargo, un estudio indirecto estimó que la UV ha aumentado en un 3.0% desde el Mínimo de Maunder. ^[23]

Variaciones en la órbita de la Tierra, que resultan en cambios en el flujo de energía solar en latitudes altas y los ciclos glaciares observados.

Algunas variaciones en la insolación no se deben a cambios solares, sino a que la Tierra se mueve entre su perihelio y afelio , o cambios en la distribución latitudinal de la radiación. Estos cambios orbitales o ciclos de Milankovitch han causado variaciones de resplandor de hasta un 25% (localmente; los cambios promedio globales son mucho más pequeños) durante largos períodos. El evento significativo más reciente fue una inclinación axial de 24 ° durante el verano boreal cerca del óptimo climático del Holoceno . Obtener una serie de tiempo para una época del año en particular, y una latitud particular, es una aplicación útil en la teoría de los ciclos de Milankovitch. Por ejemplo, en el solsticio de verano, la declinación δ es igual a la oblicuidad ε. La distancia del sol es${\displaystyle {\overline {Q}}^{\mathrm {day} }}$

${\displaystyle {\frac {R_{o}}{R_{E}}}=1+e\cos(\theta -\varpi )=1+e\cos \left({\frac {\pi }{2}}-\varpi \right)=1+e\sin(\varpi )}$

Para este cálculo del solsticio de verano, el papel de la órbita elíptica está completamente contenido dentro del producto importante , el índice de precesión , cuya variación domina las variaciones en la insolación a 65 ° N cuando la excentricidad es grande. Durante los siguientes 100.000 años, con variaciones en la excentricidad relativamente pequeñas, predominan las variaciones en la oblicuidad.${\displaystyle e\sin(\varpi )}$ 

Medida

El registro TSI basado en el espacio comprende mediciones de más de diez radiómetros que abarcan tres ciclos solares. Todos los instrumentos satelitales TSI modernos emplean radiometría de sustitución eléctrica de cavidad activa . Esta técnica aplica un calentamiento eléctrico medido para mantener una cavidad absorbente ennegrecida en equilibrio térmico mientras la luz solar incidente pasa a través de una abertura de precisión del área calibrada. La apertura se modula mediante un obturador . Se requieren incertidumbres de precisión de <0.01% para detectar variaciones de irradiancia solar a largo plazo, porque los cambios esperados están en el rango de 0.05–0.15  W / m ² por siglo. ^[24]

Calibración intertemporal

En órbita, las calibraciones radiométricas se desvían por razones que incluyen la degradación solar de la cavidad, la degradación electrónica del calentador, la degradación de la superficie de la apertura de precisión y la variación de las emisiones y temperaturas superficiales que alteran los fondos térmicos. Estas calibraciones requieren compensación para preservar mediciones consistentes. ^[24]

Por diversas razones, las fuentes no siempre coinciden. Los valores de TSI del Experimento de radiación solar y clima / Medición de irradiancia total ( SORCE / TIM) son más bajos que las mediciones anteriores del Experimento de presupuesto de radiómetro terrestre (ERBE) en el Satélite de presupuesto de radiación terrestre (ERBS), VIRGO en el Observatorio solar heliosférico (SoHO) y los instrumentos ACRIM en la Misión Máxima Solar (SMM), Satélite de Investigación de la Atmósfera Superior (UARS) y ACRIMSAT . Las calibraciones terrestres previas al lanzamiento se basaron en mediciones de componentes en lugar de en el nivel del sistema, ya que los estándares de irradiancia carecían de precisión absoluta. ^[24]

La estabilidad de la medición implica exponer diferentes cavidades de radiómetros a diferentes acumulaciones de radiación solar para cuantificar los efectos de degradación dependientes de la exposición. Estos efectos luego se compensan en los datos finales. Las superposiciones de observación permiten correcciones tanto para compensaciones absolutas como para la validación de deriva instrumental. ^[24]

Las incertidumbres de las observaciones individuales superan la variabilidad de la irradiancia (∼0,1%). Por lo tanto, se confía en la estabilidad del instrumento y la continuidad de la medición para calcular las variaciones reales.

Las desviaciones del radiómetro a largo plazo pueden confundirse con variaciones de irradiancia que pueden malinterpretarse como que afectan el clima. Los ejemplos incluyen el problema del aumento de la irradiancia entre los ciclos mínimos en 1986 y 1996, evidente solo en el compuesto ACRIM (y no en el modelo) y los bajos niveles de irradiancia en el compuesto PMOD durante el mínimo de 2008.

A pesar del hecho de que ACRIM I, ACRIM II, ACRIM III, VIRGO y TIM siguen la degradación con cavidades redundantes, siguen existiendo diferencias notables e inexplicables en la irradiancia y las influencias modeladas de las manchas solares y las fáculas .

Inconsistencias persistentes

El desacuerdo entre las observaciones superpuestas indica desviaciones no resueltas que sugieren que el registro TSI no es lo suficientemente estable para discernir los cambios solares en escalas de tiempo decenales. Sólo el compuesto ACRIM muestra un aumento de la irradiación de ∼1  W / m ²  entre 1986 y 1996; este cambio también está ausente en el modelo. ^[24]

Las recomendaciones para resolver las discrepancias de los instrumentos incluyen validar la precisión de la medición óptica comparando instrumentos terrestres con referencias de laboratorio, como las del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (NIST); La validación NIST de las calibraciones del área de apertura utiliza repuestos de cada instrumento; y aplicar correcciones de difracción desde la apertura limitadora de visión. ^[24]

Para ACRIM, el NIST determinó que la difracción de la apertura limitadora de visión contribuye con una señal del 0,13% que no se tiene en cuenta en los tres instrumentos ACRIM. Esta corrección reduce los valores de ACRIM informados, acercando ACRIM a TIM. En ACRIM y todos los demás instrumentos, excepto TIM, la apertura está profundamente dentro del instrumento, con una apertura más grande que limita la vista en la parte delantera. Dependiendo de las imperfecciones de los bordes, esto puede dispersar la luz directamente en la cavidad. Este diseño admite en la parte frontal del instrumento de dos a tres veces la cantidad de luz que se pretende medir; si no se absorbe o se dispersa por completo, esta luz adicional produce señales erróneamente altas. Por el contrario, el diseño de TIM coloca la apertura de precisión en la parte delantera para que solo entre la luz deseada. ^[24]

Las variaciones de otras fuentes probablemente incluyen una sistemática anual en los datos de ACRIM III que está casi en fase con la distancia Sol-Tierra y picos de 90 días en los datos de VIRGO que coinciden con las maniobras de la nave espacial SoHO que fueron más evidentes durante el mínimo solar de 2008.

Instalación de radiómetro TSI

La alta precisión absoluta de TIM crea nuevas oportunidades para medir variables climáticas. TSI Radiometer Facility (TRF) es un radiómetro criogénico que funciona en el vacío con fuentes de luz controladas. L-1 Standards and Technology (LASP) diseñó y construyó el sistema, completado en 2008. Fue calibrado para potencia óptica contra el radiómetro óptico primario de vatios del NIST, un radiómetro criogénico que mantiene la escala de potencia radiante del NIST en una incertidumbre del 0,02% ( 1 σ ). A partir de 2011, TRF fue la única instalación que se acercó a la incertidumbre deseada <0.01% para la validación previa al lanzamiento de radiómetros solares que miden la irradiancia (en lugar de la mera potencia óptica) a niveles de energía solar y en condiciones de vacío. ^[24]

TRF encierra tanto el radiómetro de referencia como el instrumento bajo prueba en un sistema de vacío común que contiene un haz de iluminación estacionario y espacialmente uniforme. Una apertura de precisión con un área calibrada al 0,0031% (1 σ ) determina la porción medida del rayo. La apertura de precisión del instrumento de prueba se coloca en la misma ubicación, sin alterar ópticamente el haz, para una comparación directa con la referencia. La potencia de haz variable proporciona diagnósticos de linealidad y el diámetro de haz variable diagnostica la dispersión de diferentes componentes del instrumento. ^[24]

Las escalas absolutas de los instrumentos de vuelo Glory / TIM y PICARD / PREMOS ahora se pueden rastrear hasta el TRF tanto en potencia óptica como en irradiancia. La alta precisión resultante reduce las consecuencias de cualquier brecha futura en el registro de irradiancia solar. ^[24]

Diferencia con respecto al TRF ^[24]

Instrumento	Irradiancia, apertura limitadora de visión sobrellenada	Irradiancia, apertura de precisión sobrellenada	Diferencia atribuible al error de dispersión	Error de potencia óptica medida	Acuerdo de irradiancia residual	Incertidumbre
Tierra SORCE / TIM	N / A	−0,037%	N / A	−0,037%	0,000%	0,032%
Vuelo Glory / TIM	N / A	−0,012%	N / A	−0,029%	0,017%	0,020%
PREMOS-1 tierra	−0,005%	−0,104%	0,098%	−0,049%	−0,104%	∼0,038%
Vuelo PREMOS-3	0,642%	0,605%	0,037%	0,631%	−0,026%	0,027%
Tierra VIRGO-2	0,897%	0,743%	0,154%	0,730%	0,013%	∼0,025%

Reevaluación de 2011

El valor más probable de TSI representativo del mínimo solar es 1 360 0,9 ± 0,5 W / m ² , menor que el valor anterior aceptada de1 365 0,4 ± 1,3 W / m ² , establecido en la década de 1990. El nuevo valor provino de SORCE / TIM y pruebas radiométricas de laboratorio. La luz dispersa es la causa principal de los valores de irradiancia más altos medidos por satélites anteriores en los que la apertura de precisión se encuentra detrás de una apertura más grande que limita la vista. El TIM utiliza una apertura de limitación de visión que es más pequeña que la apertura de precisión que excluye esta señal espuria. La nueva estimación proviene de una mejor medición en lugar de un cambio en la producción solar. ^[24]

Una división basada en un modelo de regresión de la proporción relativa de manchas solares y las influencias faculares de los datos de SORCE / TIM representa el 92% de la varianza observada y rastrea las tendencias observadas dentro de la banda de estabilidad de TIM. Este acuerdo proporciona una prueba más de que las variaciones de TSI se deben principalmente a la actividad magnética de la superficie solar. ^[24]

Las inexactitudes de los instrumentos añaden una incertidumbre significativa a la hora de determinar el balance energético de la Tierra . El desequilibrio energético se ha medido de diversas formas (durante un mínimo solar profundo de 2005-2010) para ser+0,58 ± 0,15 W / m ² , ^[25] +0,60 ± 0,17 W / m ^{2 [26]} y+0,85 W / m ² . Las estimaciones de las mediciones basadas en el espacio oscilan entre + 3 y 7  W / m ² . El valor TSI más bajo de SORCE / TIM reduce esta discrepancia en 1  W / m ² . Esta diferencia entre el nuevo valor TIM más bajo y las mediciones de TSI anteriores corresponde a un forzamiento climático de −0,8  W / m ² , que es comparable al desequilibrio energético. ^[24]

Reevaluación de 2014

En 2014 se desarrolló un nuevo compuesto ACRIM utilizando el registro ACRIM3 actualizado. Agregó correcciones para la dispersión y difracción reveladas durante pruebas recientes en TRF y dos actualizaciones de algoritmos. Las actualizaciones del algoritmo tienen en cuenta con mayor precisión el comportamiento térmico del instrumento y el análisis de los datos del ciclo del obturador. Estos corrigieron un componente de la señal espuria cuasi anual y aumentaron la relación señal / ruido , respectivamente. El efecto neto de estas correcciones disminuyó el valor promedio de la ETI de ACRIM3 sin afectar la tendencia en la ETI de ACRIM compuesta. ^[27]

Las diferencias entre ACRIM y PMOD TSI materiales compuestos son evidentes, pero el más significativo es el tendencias solares-mínimo-al mínimo durante los ciclos solares 21 - 23 . ACRIM encontró un aumento de + 0.037% / década de 1980 a 2000 y una disminución a partir de entonces. PMOD, en cambio, presenta una disminución constante desde 1978. También se pueden ver diferencias significativas durante el pico de los ciclos solares 21 y 22. Estas surgen del hecho de que ACRIM usa los resultados originales de TSI publicados por los equipos de experimentos satelitales, mientras que PMOD modifica significativamente algunos resultados para ajustarlos a modelos de proxy TSI específicos. Las implicaciones del aumento de TSI durante el calentamiento global de las dos últimas décadas del siglo XX son que el forzamiento solar puede ser un factor marginalmente mayor en el cambio climático que el representado en elModelos climáticos de circulación general CMIP5 . ^[27]

Irradiancia en la superficie de la Tierra

Un piranómetro , utilizado para medir la irradiancia global.

Se utiliza un pirheliómetro , montado en un seguidor solar , para medir la irradiancia normal directa (o irradiancia del haz)

La radiación solar media anual que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre es de aproximadamente 1361  W / m ² . ^[28] Los rayos solares se atenúan a medida que atraviesan la atmósfera , dejando la irradiancia superficial máxima normal en aproximadamente 1000  W / m ² al nivel del mar en un día despejado. Cuando llegan 1361 W / m ^{2 por} encima de la atmósfera (cuando el sol está en el cenit en un cielo sin nubes), el sol directo es de aproximadamente 1050 W / m ² y la radiación global sobre una superficie horizontal al nivel del suelo es de aproximadamente 1120 W / m ² . ^[29]La última cifra incluye la radiación dispersada o reemitida por la atmósfera y los alrededores. La cifra real varía con el ángulo del Sol y las circunstancias atmosféricas. Ignorando las nubes, la insolación media diaria de la Tierra es de aproximadamente 6 kWh / m ² = 21,6 MJ / m ² .

La radiación solar promedio anual que llega a la parte superior de la atmósfera de la Tierra (1361  W / m ² ) representa la potencia por unidad de área de irradiancia solar a través de la superficie esférica que rodea al sol con un radio igual a la distancia a la Tierra (1 AU ). . Esto significa que el disco aproximadamente circular de la Tierra, visto desde el sol, recibe 1361 W / m ² aproximadamente estables en todo momento. El área de este disco circular es π r ² , en el que r es el radio de la Tierra. Debido a que la Tierra es aproximadamente esférica, tiene un área total  ${\displaystyle 4\pi r^{2}}$, lo que significa que la radiación solar que llega a la parte superior de la atmósfera, promediada sobre toda la superficie de la Tierra, simplemente se divide por cuatro para obtener 340  W / m ² . En otras palabras, promediada durante el año y el día, la atmósfera de la Tierra recibe 340  W / m ² del sol. Esta cifra es importante en el forzamiento radiativo .

La salida de, por ejemplo, un panel fotovoltaico , depende en parte del ángulo del sol con respecto al panel. Un sol es una unidad de flujo de energía , no un valor estándar para la insolación real. A veces, esta unidad se denomina Sol, que no debe confundirse con un sol , es decir, un día solar . ^[30]

Absorción y reflexión

Espectro de irradiancia solar por encima de la atmósfera y en la superficie

Parte de la radiación que llega a un objeto se absorbe y el resto se refleja. Por lo general, la radiación absorbida se convierte en energía térmica , aumentando la temperatura del objeto. Sin embargo, los sistemas artificiales o naturales pueden convertir parte de la radiación absorbida en otra forma, como electricidad o enlaces químicos , como en el caso de las células o plantas fotovoltaicas . La proporción de radiación reflejada es la reflectividad o albedo del objeto .

Efecto de proyección

Efecto de proyección : un rayo de sol de una milla de ancho brilla en el suelo en un ángulo de 90 ° y otro en un ángulo de 30 °. El rayo de sol oblicuo distribuye su energía luminosa sobre el doble de área.

La insolación sobre una superficie es mayor cuando la superficie se enfrenta directamente (es normal) al sol. A medida que el ángulo entre la superficie y el Sol se mueve desde lo normal, la insolación se reduce en proporción al coseno del ángulo ; vea el efecto del ángulo del sol sobre el clima .

En la figura, el ángulo que se muestra es entre el suelo y el rayo de sol en lugar de entre la dirección vertical y el rayo de sol; de ahí que sea apropiado el seno en lugar del coseno. Un rayo de sol de una milla de ancho llega directamente desde arriba y otro en un ángulo de 30 ° con la horizontal. El seno de un ángulo de 30 ° es 1/2, mientras que el seno de un ángulo de 90 ° es 1. Por lo tanto, el rayo de sol en ángulo esparce la luz sobre el doble del área. En consecuencia, la mitad de la luz cae en cada milla cuadrada.

Este efecto de proyección es la razón principal por la que las regiones polares de la Tierra son mucho más frías que las regiones ecuatoriales . En promedio anual, los polos reciben menos insolación que el ecuador, porque los polos siempre están más alejados del sol que los trópicos y, además, no reciben insolación en absoluto durante los seis meses de sus respectivos inviernos.

Efecto de absorción

En un ángulo más bajo, la luz también debe viajar a través de más atmósfera. Esto lo atenúa (por absorción y dispersión) reduciendo aún más la insolación en la superficie.

La atenuación se rige por la ley de Beer-Lambert , es decir, que la transmitancia o fracción de insolación que llega a la superficie disminuye exponencialmente en la profundidad óptica o absorbancia (las dos nociones difieren solo por un factor constante de ln (10) = 2.303 ) de la trayectoria. de insolación a través de la atmósfera. Para cualquier tramo corto dado de la trayectoria, la profundidad óptica es proporcional al número de absorbentes y dispersores a lo largo de esa longitud, aumentando típicamente con la altitud decreciente. La profundidad óptica de todo el camino es entonces la integral (suma) de esas profundidades ópticas a lo largo del camino.

Cuando la densidad de los absorbentes está estratificada, es decir, depende mucho más de la posición vertical que horizontal en la atmósfera, en una buena aproximación la profundidad óptica es inversamente proporcional al efecto de proyección, es decir, al coseno del ángulo cenital. Dado que la transmitancia disminuye exponencialmente al aumentar la profundidad óptica, a medida que el sol se acerca al horizonte llega un punto en el que la absorción domina la proyección durante el resto del día. Con un nivel relativamente alto de absorbentes, esto puede ser una parte considerable del final de la tarde y también de la madrugada. Por el contrario, en la (hipotética) ausencia total de absorción, la profundidad óptica permanece cero en todas las altitudes del sol, es decir, la transmitancia permanece 1, por lo que solo se aplica el efecto de proyección.

Mapas de potencial solar

La evaluación y el mapeo del potencial solar a nivel mundial, regional y nacional han sido objeto de gran interés académico y comercial. Uno de los primeros intentos de llevar a cabo un mapeo completo del potencial solar para países individuales fue el proyecto de Evaluación de Recursos Solares y Eólicos (SWERA), ^[31] financiado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y llevado a cabo por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos . Otros ejemplos incluyen el mapeo global de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio y otros institutos similares, muchos de los cuales están disponibles en el Atlas Global de Energías Renovables proporcionado por la Agencia Internacional de Energías Renovables.. Ahora existen varias empresas comerciales para proporcionar datos de recursos solares a los desarrolladores de energía solar, incluidas 3E, Clean Power Research, SoDa Solar Radiation Data, Solargis, Vaisala (anteriormente 3Tier) y Vortex, y estas empresas a menudo han proporcionado mapas de potencial solar para libre. En enero de 2017, el Banco Mundial lanzó el Atlas Solar Global , utilizando datos proporcionados por Solargis, para proporcionar una fuente única de datos solares, mapas y capas GIS de alta calidad que cubren todos los países.

• Mapas del potencial de GHI por región y país (Nota: los colores no son consistentes en todos los mapas)
• Africa Sub-sahariana

• América Latina y el caribe

• porcelana

• India

• México

• Sudáfrica

Los mapas de radiación solar se construyen utilizando bases de datos derivadas de imágenes de satélite, como por ejemplo utilizando imágenes visibles del satélite Meteosat Prime. Se aplica un método a las imágenes para determinar la radiación solar.

Aplicaciones

Factor de conversión (multiplique la fila superior por factor para obtener la columna lateral)

	W / m 2	kW · h / (m 2 · día)	horas de sol / día	kWh / (m 2 · año)	kWh / (kWp · año)
W / m 2	1	41.66666	41.66666	0.1140796	0.1521061
kW · h / (m 2 · día)	0,024	1	1	0,0027379	0,0036505
horas de sol / día	0,024	1	1	0,0027379	0,0036505
kWh / (m 2 · año)	8.765813	365.2422	365.2422	1	1.333333
kWh / (kWp · año)	6.574360	273.9316	273.9316	0,75	1

Energía solar

La luz solar transporta energía radiante en las longitudes de onda de la luz visible . La energía radiante puede desarrollarse para la generación de energía solar .

Las cifras de irradiación solar se utilizan para planificar el despliegue de sistemas de energía solar . ^[32] En muchos países, las cifras se pueden obtener de un mapa de insolación o de tablas de insolación que reflejan los datos de los 30 a 50 años anteriores. Las diferentes tecnologías de energía solar pueden utilizar diferentes componentes de la irradiación total. Si bien los paneles solares fotovoltaicos pueden convertir en electricidad tanto la irradiación directa como la irradiación difusa, la energía solar concentrada solo puede funcionar de manera eficiente con irradiación directa, lo que hace que estos sistemas sean adecuados solo en lugares con una capa de nubes relativamente baja.

Debido a que los paneles de colectores solares casi siempre están montados en un ángulo ^[33] hacia el sol, la insolación debe ajustarse para evitar estimaciones que sean inexactamente bajas para el invierno e inexactas altas para el verano. ^[34] Esto también significa que la cantidad de sol que cae sobre un panel solar en una latitud alta no es tan baja en comparación con uno en el ecuador como parecería simplemente considerar la insolación en una superficie horizontal.

Los paneles fotovoltaicos se clasifican en condiciones estándar para determinar la calificación Wp (pico de vatios), ^[35] que luego se puede usar con insolación para determinar la salida esperada, ajustada por factores como inclinación, seguimiento y sombreado (que se pueden incluir para crear la clasificación de Wp instalada). ^{[36] Los} valores de insolación oscilan entre 800  y 950 kWh / (kWp · año) en Noruega hasta 2.900  kWh / (kWp · año) en Australia .

Edificios

En la construcción, la insolación es una consideración importante al diseñar un edificio para un sitio en particular. ^[37]

Variación de la insolación por mes; Promedios de 1984-1993 para enero (arriba) y abril (abajo)

El efecto de proyección se puede utilizar para diseñar edificios que sean frescos en verano y cálidos en invierno, proporcionando ventanas verticales en el lado del edificio que mira hacia el ecuador (la cara sur en el hemisferio norte o la cara norte en el hemisferio sur ). : esto maximiza la insolación en los meses de invierno cuando el sol está bajo en el cielo y la minimiza en el verano cuando el sol está alto. (La trayectoria norte / sur del Sol a través del cielo se extiende 47 ° a lo largo del año).

Ingeniería civil

En ingeniería civil e hidrología , los modelos numéricos de escorrentía de deshielo utilizan observaciones de insolación. Esto permite estimar la velocidad a la que se libera el agua de una capa de nieve que se derrite. La medición de campo se realiza utilizando un piranómetro .

Investigación climática

La irradiancia juega un papel importante en el modelado climático y la predicción meteorológica . Una radiación neta global promedio distinta de cero en la parte superior de la atmósfera es indicativa del desequilibrio térmico de la Tierra impuesto por el clima forzado .

Se desconoce el impacto del valor más bajo de la ETI de 2014 en los modelos climáticos. Por lo general, se considera que unas pocas décimas de cambio porcentual en el nivel absoluto de TSI tienen consecuencias mínimas para las simulaciones climáticas. Las nuevas mediciones requieren ajustes de los parámetros del modelo climático.

Los experimentos con GISS Model 3 investigaron la sensibilidad del rendimiento del modelo al valor absoluto de TSI durante la época actual y preindustrial y describen, por ejemplo, cómo se divide la reducción de la irradiancia entre la atmósfera y la superficie y los efectos sobre la radiación saliente. ^[24]

La evaluación del impacto de los cambios de irradiancia a largo plazo en el clima requiere una mayor estabilidad de los instrumentos ^[24] combinada con observaciones fiables de la temperatura de la superficie global para cuantificar los procesos de respuesta climática al forzamiento radiativo en escalas de tiempo decenales. El aumento observado de la irradiancia del 0,1% imparte un forzamiento climático de 0,22  W / m ² , lo que sugiere una respuesta climática transitoria de 0,6 ° C por W / m ² . Esta respuesta es mayor en un factor de 2 o más que en los modelos de 2008 evaluados por el IPCC, posiblemente apareciendo en la absorción de calor de los modelos por el océano. ^[24]

Espacio

La insolación es la variable principal que afecta la temperatura de equilibrio en el diseño de naves espaciales y la planetología .

La medición de la irradiancia y la actividad solar es una preocupación para los viajes espaciales. Por ejemplo, la agencia espacial estadounidense, NASA , lanzó su satélite Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) con monitores de irradiación solar . ^[1]

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la insolación .

• Presupuesto energético de la Tierra
• Curva PI ( curva de fotosíntesis-irradiancia)
• Irradiancia
• Albedo
• Flujo
• Densidad de poder
• Imágenes del cielo
• Carta solar
• Luz de sol
• Lista de ciudades por duración del sol

Referencias

1. Michael Boxwell, Manual de electricidad solar: una guía práctica y sencilla de la energía solar (2012), p. 41–42.
2. Stickler, Greg. "Breve educativo - Radiación solar y el sistema terrestre" . Administración Nacional de Aeronáutica y Espacio. Archivado desde el original el 25 de abril de 2016 . Consultado el 5 de mayo de 2016 .
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Bibliografía

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Enlaces externos

• Atlas solar global : busque o descargue mapas y capas de datos GIS (globales o por país) de los promedios a largo plazo de los datos de irradiación solar (publicados por el Banco Mundial, proporcionados por Solargis)]
• Solcast: datos de irradiancia solar actualizados cada 10 a 15 minutos. Recientes, en vivo, históricos y pronosticados, gratis para uso de investigación pública
• Datos recientes de irradiancia solar total actualizados todos los lunes
• Mapa de San Francisco Solar
• Comisión Europea - Mapas interactivos
• Mapa de radiación solar australiana de ayer
• Radiación solar usando Google Maps
• SMARTS , software para calcular la insolación solar de cada fecha / ubicación de la tierra [3]
• Meteorología de superficie y energía solar de la NASA
• insol: paquete R para insolación en terrenos complejos
• Calculadora de insolación en línea