4. Radiación Solar y Terrestre

Nuestro planeta trata constantemente de mantener el balance entre la energía que llega del Sol a la superficie terrestre, y la energía que la Tierra libera hacia el espacio. La radiación solar es nuestra principal fuente de calor y energía. El Sol emite cerca del 88 % de su energía en largos de onda menores de los 1.5m (micrómetros ó 10-6 m) con una emisión máxima en la región visible cerca de 0.5 m. Aun cuando estamos más familiarizados con esta energía visible del Sol, pues es la que detectan nuestros ojos, el Sol emite en forma de rayos X, rayos ultravioleta, infrarrojo, en microondas y radio.

Esta imagen muestra el espectro de radiación solar que llega al tope de nuestra atmosfera (colores claros) y la radiación que llega a nuestra superficie terrestre (colores brillantes). El sol emite mayor cantidad de radiación en la región de los 500nm, es decir, en la región visible para nosotros. Sin embargo, también emite radiación de otros largos de onda, invisibles para los seres humanos. (Imagen de www.fondriest.com)

El espectro electromagnético muestra los distintos tipos de radiación que conocemos y sus cualidades como los son: largo de onda, frecuencia y cantidad de energía asociada a cada tipo. (Imagen de www.artinaid.com)

La Tierra y su atmósfera no solamente absorben la radiación solar, sino que también emiten radiación. Todo, incluyéndote a ti, emite energía. El tipo y cantidad de energía depende de la temperatura del objeto o superficie. Por ejemplo, la temperatura de la superficie radiante del Sol es de 6,500 ºC (11,000 ºF). Por estas altas temperaturas, casi toda la energía del Sol es de longitud de onda corta. Sin embargo, no toda la energía o radiación solar llega a la Tierra. Sólo una fracción viene en nuestra dirección. La Tierra, la atmósfera y las nubes emiten su energía en la banda del infrarrojo del espectro electromagnético, la cual posee un largo de onda mucho mayor que la radiación que viene del Sol. Esta radiación terrestre-atmósfera en combinación con la radiación solar mantiene en balance la energía de nuestro planeta, lo cual es un ejemplo de la ley de conservación de energía.

El Sol, nuestra estrella más cercana, es un cuerpo gaseoso gigantesco compuesto de hidrógeno y helio. Su temperatura interna excede los 20 millones C (36 millones ºF) generando así radiación de onda corta. (Imagen de NASA)

La superficie del Sol es tan caliente que la cantidad de luz que emite equivale a 6 millones de bombillas de 100-Watt en cada metro cuadrado. Pero al dispersarse por el espacio, y al llegar a la Tierra esta energía equivale a 14 bombillas de 100-Watt por cada metro cuadrado. Debido a las diferencias por la curvatura redondeada de la Tierra donde el trópico recibe más luz directa que los polos, y por la rotación terrestre, el promedio de luz solar que entra al tope de atmósfera es similar a 3.4 bombillas de 100-Watt en cada metro cuadrado.

No toda la energía que nos llega del Sol al tope de la atmósfera, se recibe de igual forma en la superficie terrestre. La cantidad que llega es reflejada en parte por las nubes, las cuales cubren 3/5 parte del planeta. Por ejemplo, las nubes espesas pueden reflejar hacia el espacio hasta un 95 % de la radiación solar. Si el día está despejado, mayor radiación llegará hasta la superficie. Pero si hay nieve en el terreno, esta radiación volverá a reflejarse hasta un 95 % al espacio. Un bosque o un océano absorben hasta un 90% de la radiación solar, y reflejan tan sólo un 10 %.

GOTAS DEL SABER: ¿Debes usar crema con protección solar en días nublados? ¡Sí! Si bien las nubes reflejan la porción visible de la radiación solar hacia el espacio, las nubes son transparentes a la longitud de onda de la radiación ultravioleta del Sol. Es esta porción del espectro electromagnético la que causa las quemaduras y posible cáncer en la piel.

La porción de energía solar que se refleja al espacio nuevamente se le conoce como albedo. Los océanos y bosques lluviosos como el Yunque tienen un albedo muy bajo, es decir, reflejan muy poca cantidad de radicación al espacio. En cambio, los desiertos, la nieve y las nubes tienen albedos altos, lo que quiere decir que reflejan mucha radiación de vuelta al espacio.

Albedo (Reflexividad) de algunos tipos de superficie comunes a la radiación solar visible

Superficie Albedo (% reflejado)Prado 16-20Bosque deciduo 15-20Bosque conífero 5-15Cultivos verdes 15-25Tundra 15-20Desierto 25-30Arena 18-28Carretera asfaltada 5-10Hielo en el mar 30-40Nieve fresca 75-95Nieve vieja 40-60Hielo glaciar 20-40Agua (altitud solar alta) 3-10Agua (altitud solar baja) 10-100Ciudades 14-18

En esta imagen se muestra la cantidad (%) de radiación promedio que reflejan distintas superficies comunes. El albedo representa la fracción de la luz que llega a la superficie y es reflejada por esta. (Imagen de www.geography.about.com)

Sobre toda la superficie terrestre, en promedio aproximadamente el 30% de la energía que llega del Sol es reflejada nuevamente al espacio. Del 70% restante, 20% es absorbido en diferentes capas de la atmósfera, y el 50% llega y se absorbe por la superficie terrestre y la superficie marina.

La Tierra y su atmósfera están emitiendo energía continuamente (día y noche) al espacio. La radiación solar que absorbe la Tierra causa que el planeta se caliente hasta que emite tanta energía al espacio como la que absorbe. Ya que la Tierra sólo absorbe una fracción de la energía del Sol, ésta permanece más fría que el Sol. La radiación infrarroja de la Tierra es invisible al ojo humano. Cuando una nube absorbe la radiación infrarroja de la Tierra, la nube reemite parte hacia el espacio, y otra parte regresa a la Tierra. La intensidad de esta emisión dependerá de la altura y espesor de la nube. Esta energía que se queda atrapada entre la nube y la Tierra aumenta la temperatura de la superficie terrestre y la baja atmósfera. Este efecto de calentamiento del aire cerca de la superficie, se le conoce como el Efecto de Invernadero. Este ocurre mayormente por la presencia del vapor de agua en el aire, pero se amplifica por el dióxido de carbono, metano y otros gases que absorben radiación infrarroja.

En nuestro planeta Tierra la cantidad de calor que llega y se escapa está en balance. Sin embargo, la Tierra se está calentando lentamente, y a este proceso se le conoce como Calentamiento Global, o Cambio Climático Acelerado. La presencia de contaminantes en la atmósfera puede

reducir la cantidad de radiación infrarroja que la Tierra emite hacia el espacio. La Tierra continuará en ese proceso de cambio por un largo periodo de tiempo, pero la rapidez e intensidad de los cambios en el clima, dependerá grandemente en si se detiene o disminuye la emisión de contaminantes a la atmósfera.

Aun cuando exista un balance general a escala global, en algunos lugares específicos, no se observan tales equilibrios. Por ejemplo, hay inviernos extremadamente fríos o veranos muy calurosos. Estos son sólo ejemplos de los cambios que ocurren con las estaciones. Ya que el planeta Tierra tiene la forma curva, no todos los lugares reciben la radiación solar directa. Las regiones tropicales reciben más luz solar que los polos, y por lo tanto absorben más energía que la que emiten. La rotación terrestre también contribuye a la cantidad tiempo en que estamos recibiendo esta radiación. La Tierra mantiene el equilibrio térmico moviendo corrientes de aire y de aguas frías desde los polos hacia el trópico, y del trópico hacia los polos. Es por esto que los huracanes y frentes fríos son fenómenos necesarios en la Tierra.

El planeta Tierra es habitable gracias a la interacción de la radiación solar con nuestra atmosfera y el llamado Efecto de Invernadero. Las diferentes interacciones en donde parte de la radiación solar es absorbida o reflejada permiten que el planeta tenga las condiciones de temperatura adecuadas para sustentar la vida. La energía acumulada en la superficie de la Tierra gracias a la atmósfera es tan significativa que si toda la radiación solar se acabara hoy, los océanos se comenzarían a enfriar notablemente después de varias décadas. (Imagen de UNEP)

La forma de nuestro planeta Tierra hace que ocurra un calentamiento desigual de la superficie terrestre. En el trópico la radiación solar llega directa y un rayo de luz solar se distribuye en una menor área. Mientras tanto, en los polos, la radiación solar llega en un ángulo lo que hace que la misma radiación se distribuya en un mayor área, al ser menos directa Sucede algo similar a cuando apuntas una linterna a una superficie: si la apuntas directamente el área iluminada será menor que si apuntas la linterna en un ángulo. (Imagen de www.iesicaria.xtec.cat)

Las Estaciones Es cierto que el Sol es nuestra principal fuente de calor pero el mismo no llega de forma uniforme alrededor del planeta. Para comenzar, recordemos que la forma circular de la Tierra y su inclinación de 23 ½º a medida que se mueve alrededor del Sol son los dos factores que determinan las estaciones, y las diferencias de temperatura en el planeta. Existen cuatro estaciones a saber: verano, otoño, invierno y primavera. Los factores que determinan las estaciones no son la rotación terrestre ni la distancia de la Tierra al Sol. La rotación terrestre nos da el día y la noche, mientras que el movimiento de traslación elíptica de la Tierra alrededor del Sol nos asegura que estamos más cerca del Sol en enero (147 millones de km) que en julio (152 millones de km). Por lo tanto, cuan cerca o lejos el Sol esté de la Tierra no define las estaciones. Las estaciones del año, son resultado de la inclinación de 23.5o que tiene nuestro Planeta Tierra con respecto al Sol.

La órbita elíptica de la Tierra alrededor del Sol nos muestra que estamos más cerca del sol durante el mes de enero (invierno en el Hemisferio Norte) que durante el mes de julio (verano en el Hemisferio Norte) demostrando asi que las estaciones que observamos durante el año, no están asociadas a la distancia del planeta al sol. (Imagen de www.oceanservice.noaa.gov)

Las estaciones que se observan en un año dependen de cuan expuesta esta una región a la luz solar. En el hemisferio norte, el verano comienza alrededor del 22 de junio de cada año, y es cuando nuestro hemisferio se encuentra inclinado en dirección del sol. Los rayos del Sol para esta fecha inciden directamente sobre el Trópico de Cáncer o en la posición 23.5 N ya que esta zona está más expuesta a los rayos solares. Durante el verano en todas las latitudes del hemisferio norte los días serán más largos que las noches, esto se debe a la inclinación de la Tierra respecto al sol y a la rotación de la misma. Luego de esta fecha el patrón comienza a cambiar nuevamente y la incidencia de los rayos del Sol sobre el hemisferio norte es menor debido a los movimientos, traslación elíptica de la Tierra que hacen que el Hemisferio Sur comience a estar más expuesto a los rayos del Sol. Es entonces cuando el Hemisferio Sur comienza a experimentar condiciones de verano.Ya para el día 22- 23 de septiembre comienza el equinoccio de otoño y es cuando los rayos del Sol se encuentran directamente sobre el ecuador. En esta fecha el día y la noche solo tendrán igual duración en los polos. En el Polo Norte, el Sol permanecerá visible por 24 horas, luego comenzará a desaparecer de la vista por los próximos 6 meses. En el resto del hemisferio norte, los días serán más cortos y las noches más largas. Esto trae como consecuencia una baja en las temperaturas que caracterizan el otoño en el hemisferio norte.

El 22 de diciembre comienza el solsticio de invierno del hemisferio norte y corresponde a cuando los rayos del sol se encuentran más alejados del hemisferio norte, incidiendo directamente sobre el Trópico de Capricornio o en la latitud 23.5S (lo que indica que en el hemisferio sur es verano). Las noches en el invierno son más largas y los días más cortos.

Las temperaturas comienzan a calentar nuevamente hacia el mes de marzo cuando comienza la primavera. El 21 de marzo los rayos del Sol nuevamente inciden directamente sobre el ecuador.

En el Polo Norte el Sol comienza a verse luego de 6 meses de ausencia. La primavera se caracteriza por tener días más largos y un aumento gradual en la temperatura.

VIDEO CORTO: Las estaciones. https://www.youtube.com/watch?v=4Pj6znxzFik

VIDEO- Bill Nye explica las temporadas y el calentamiento desigual de la Tierra: https://www.youtube.com/watch?v=KUU7IyfR34o

GOTAS DEL SABER: Los equinoccios y solsticios se refieren al día y hora en particular cuando ocurre el cambio o inicio de estación. Las fechas son aproximadas porque pueden variar cada

año. Equinoccio de Primavera: 20-21 de marzo

Solsticio de Verano: 20-21 de junioEquinoccio de Otoño: 22-23 de septiembreSolsticio de Invierno: 21-22 de diciembre

Las estaciones del año ocurren gracias a la inclinación de la Tierra con respecto al Sol; el verano corresponde a la época del año cuando el área en cuestión este más expuesta al sol. En esta foto se muestran las estaciones y los equinoccios observados en el Hemisferio Norte, pero podemos observar que las estaciones son invertidas para el Hemisferio Sur, ya que durante los meses de Diciembre-Enero (cuando en el norte se observan condiciones de invierno), este se encuentra más expuesto a los rayos solares y observa condiciones de verano. (Imagen de D. Ahrens, 2009)

Aparte de las diferencias causadas por los cambios en las estaciones, la Tierra se calienta de forma desigual porque la superficie terrestre y la superficie del mar absorben y emiten el calor de forma diferente. La tierra se calienta y enfría más rápido que el agua por las diferencias en calor específico. Los océanos tropicales mantienen grandes cantidades de calor durante todo el año, y los polos pueden permanecer sumamente fríos todo el año. En cambio, sobre tierra, vemos cuán rápido se calientan y enfrían, con los cambios de las estaciones.

Nuestra atmósfera es una máquina de calor lo que da paso a la formación de los sistemas de mal tiempo. Una máquina de calor depende de los contrastes entre frío y caliente para producir poder. Tomemos por ejemplo, un carro. El poder viene del calor creado al quemar gasolina y aire en una cámara de combustión. Mientras el motor corre, el cilindro alterna entre frío y caliente. De esta forma se crea la energía. Mientras mayor sea el contraste de frío y caliente, más energía se produce. La atmósfera es similar, pues mientras mayores sean los contrastes de frío y caliente, más peligrosos y violentos son los sistemas de tiempo lluvioso.

Los meses más calientes en el hemisferio Norte son agosto y septiembre, mientras los más fríos son enero y febrero. ¿Por qué no son durante los solsticios de verano (junio) y de invierno (diciembre) respectivamente? Primero, porque el proceso de calentamiento del aire demora. Pero además, piensa en una cuenta de banco. Mientras deposites dinero, más tienes, pero si sacas dinero tienes menos. Después del equinoccio de primavera, más calor del Sol llega a la superficie que el que la Tierra libera. El aire va aumentando en temperatura. En los días más largos, la cantidad de calor que llega a la superficie es mayor. Pero aún después del solsticio de verano, donde los días se hacen más cortos, la radiación solar sigue siendo mayor que la que despide la Tierra. Esto hace que haya un exceso de calor y por lo tanto las temperaturas del aire en agosto sean mayores. En algún momento, el nivel de calor se iguala, y a medida que nos acercamos al equinoccio de otoño, los días se van haciendo más cortos. Entonces llega menos calor del Sol a la superficie, y la Tierra despide más energía al espacio de la que entra. De la misma forma, en diciembre los días se van haciendo cada vez más cortos. Aun después del solsticio de invierno, donde los días se van haciendo más largos, más energía se libera de la Tierra de la que entra.

La intensidad de la radiación Solar que se recibe en la superficie terrestre varía significativamente con las estaciones. Al mediodía, durante el verano, el Sol está más alto en el cielo y los rayos del Sol son más intensos que durante el invierno. Así durante el día, los rayos del Sol son más intensos al mediodía que al amanecer o atardecer. Por lo tanto, el ángulo del sol sobre el horizonte, conocido como altura solar, tiene gran peso en la intensidad de radiación solar que llega a la superficie.

Los rayos del Sol coinciden sobre la superficie terrestre, pero, como habíamos mencionado antes: por la forma curva del planeta, es el trópico el que recibe más intensidad que si lo comparamos con los polos. Durante las estaciones, a medida que el Sol incide más sobre unas latitudes que otras, la intensidad del Sol es mayor donde los rayos lleguen más perpendiculares. Además la radiación solar interfiere con la atmósfera y el ángulo a que incide, pues si el rayo de Sol tiene que penetrar una capa profunda de aire, los gases y aerosoles que encuentra a su paso, disminuyen la intensidad de la radiación.

GOTAS DEL SABER: ¿Por qué Puerto Rico no experimenta todas las estaciones del año? La localización tropical de nuestra isla es una de las razones por las cuales no experimentamos las estaciones del año como en otras latitudes. Si observamos una imagen de la órbita de la Tierra alrededor del Sol durante un año, notaremos que la exposición de las latitudes tropicales a los rayos del Sol no cambia mucho con la época. Por lo tanto, no hay cambios grandes en radiación solar recibida y, como consecuencia, no hay cambios grandes en temperatura durante las diferentes estaciones.