La luz solar es una porción de la radiación electromagnética emitida por el Sol , en particular la luz infrarroja , visible y ultravioleta . En la Tierra , la luz del sol se dispersa y se filtra a través de la atmósfera terrestre y es evidente como luz del día cuando el Sol está sobre el horizonte . Cuando la radiación solar directa no es bloqueada por las nubes , se experimenta como luz solar , una combinación de luz brillante y calor radiante (atmosférico). Cuando la luz del sol es bloqueada por las nubes o reflejada por otros objetos , se difunde . Las fuentes estiman un promedio global de entre 164 vatios y 340 vatios [1] por metro cuadrado durante un día de 24 horas; [2] La NASA estima que esta cifra es aproximadamente una cuarta parte de la irradiancia solar total promedio de la Tierra .
La radiación ultravioleta de la luz solar tiene efectos positivos y negativos para la salud, ya que es al mismo tiempo un requisito para la síntesis de vitamina D 3 y un mutágeno .
La luz del Sol tarda unos 8,3 minutos en llegar a la Tierra desde la superficie del Sol. [3] Un fotón que comienza en el centro del Sol y cambia de dirección cada vez que encuentra una partícula cargada tardaría entre 10.000 y 170.000 años en llegar a la superficie. [4]
La luz solar es un factor clave en la fotosíntesis , el proceso utilizado por las plantas y otros organismos autótrofos para convertir la energía luminosa , normalmente del Sol, en energía química que puede utilizarse para sintetizar carbohidratos y alimentar las actividades de los organismos.
La iluminación natural es la iluminación natural de los espacios interiores mediante la admisión de luz solar.La irradiancia solar es la energía solar disponible a partir de la luz solar.
Los investigadores pueden medir la intensidad de la luz solar utilizando un registrador de luz solar , un piranómetro o un pirheliómetro . Para calcular la cantidad de luz solar que llega a la Tierra, se deben tener en cuenta tanto la excentricidad de la órbita elíptica de la Tierra como la atenuación de la atmósfera terrestre . La iluminancia solar extraterrestre ( E ext ), corregida para la órbita elíptica utilizando el número de día del año (dn), se obtiene con una buena aproximación mediante [5]
donde dn=1 el 1 de enero; dn=32 el 1 de febrero; dn=59 el 1 de marzo (excepto en años bisiestos, donde dn=60), etc. En esta fórmula se utiliza dn–3, porque en los tiempos modernos el perihelio de la Tierra , el máximo acercamiento al Sol y, por tanto, el máximo E ext ocurre alrededor del 3 de enero de cada año. El valor de 0,033412 se determina sabiendo que la relación entre el perihelio (0,98328989 AU) al cuadrado y el afelio (1,01671033 AU) al cuadrado debe ser aproximadamente 0,935338.
La constante de iluminancia solar ( E sc ), es igual a 128×10 3 lux . La iluminancia normal directa ( E dn ), corregida por los efectos atenuantes de la atmósfera, viene dada por:
donde c es la extinción atmosférica y m es la masa de aire óptica relativa . La extinción atmosférica reduce el número de lux a unos 100.000 lux.
La cantidad total de energía recibida a nivel del suelo del Sol en el cenit depende de la distancia al Sol y, por tanto, de la época del año. Es aproximadamente un 3,3% más alto que el promedio en enero y un 3,3% más bajo en julio (ver más abajo). Si la radiación solar extraterrestre es de 1.367 vatios por metro cuadrado (el valor cuando la distancia Tierra-Sol es 1 unidad astronómica ), entonces la luz solar directa en la superficie de la Tierra cuando el Sol está en el cenit es de aproximadamente 1.050 W/m 2 , pero la La cantidad total (directa e indirecta de la atmósfera) que llega al suelo es de alrededor de 1.120 W/m 2 . [6] En términos de energía, la luz solar en la superficie de la Tierra es entre un 52 y un 55 por ciento infrarroja (por encima de 700 nm ), entre un 42 y un 43 por ciento visible (400 a 700 nm) y entre un 3 y un 5 por ciento ultravioleta (por debajo de 400 nm). [7] En la parte superior de la atmósfera, la luz solar es aproximadamente un 30% más intensa y tiene aproximadamente un 8% de ultravioleta (UV), [8] y la mayor parte de la radiación ultravioleta adicional consiste en ultravioleta de onda corta biológicamente dañina. [9]
La luz solar directa tiene una eficacia luminosa de aproximadamente 93 lúmenes por vatio de flujo radiante . Esto es mayor que la eficacia (de la fuente) de la iluminación artificial distinta de los LED , lo que significa que el uso de la luz solar para iluminar calienta una habitación menos que la iluminación fluorescente o incandescente. Multiplicar la cifra de 1.050 vatios por metro cuadrado por 93 lúmenes por vatio indica que la luz solar brillante proporciona una iluminancia de aproximadamente 98.000 lux ( lúmenes por metro cuadrado) en una superficie perpendicular al nivel del mar. La iluminación de una superficie horizontal será considerablemente menor si el Sol no está muy alto en el cielo. En promedio durante un día, la mayor cantidad de luz solar sobre una superficie horizontal ocurre en enero en el Polo Sur (ver insolación ).
Dividiendo la irradiancia de 1.050 W/m 2 por el tamaño del disco solar en estereorradián se obtiene una radiancia media de 15,4 MW por metro cuadrado por estereorradián. (Sin embargo, la radiancia en el centro del disco solar es algo mayor que el promedio en todo el disco debido al oscurecimiento de las extremidades ). Multiplicar esto por π da un límite superior a la irradiancia que se puede enfocar en una superficie usando espejos: 48,5 MW/ m2 . [10]
El espectro de la radiación solar del Sol se puede comparar con el de un cuerpo negro [11] [12] con una temperatura de aproximadamente 5.800 K [13] (ver gráfico). El Sol emite radiación EM en la mayor parte del espectro electromagnético . Aunque la radiación creada en el núcleo solar consiste principalmente en rayos X , la absorción interna y la termalización convierten estos fotones de súper alta energía en fotones de menor energía antes de que alcancen la superficie del Sol y sean emitidos al espacio. Como resultado, la fotosfera del Sol no emite mucha radiación X ( rayos X solares ), aunque sí emite "radiaciones duras" como los rayos X e incluso los rayos gamma durante las erupciones solares . [14] El Sol silencioso (que no brilla), incluida su corona , emite una amplia gama de longitudes de onda: rayos X , ultravioleta , luz visible , infrarrojos y ondas de radio . [15] Las diferentes profundidades en la fotosfera tienen diferentes temperaturas, y esto explica parcialmente las desviaciones del espectro del cuerpo negro. [dieciséis]
También hay un flujo de rayos gamma provenientes del sol en reposo, que obedecen a una ley de potencia entre 0,5 y 2,6 TeV . Algunos rayos gamma son causados por rayos cósmicos que interactúan con la atmósfera solar, pero esto no explica estos hallazgos. [17] [18] [19]
La única señal directa de los procesos nucleares en el núcleo del Sol es a través de los neutrinos que interactúan muy débilmente .
Aunque la corona solar es una fuente de radiación ultravioleta y de rayos X extrema, estos rayos constituyen sólo una cantidad muy pequeña de la energía producida por el Sol (ver espectro a la derecha). El espectro de casi toda la radiación electromagnética solar que incide en la atmósfera terrestre abarca un rango de 100 nm a aproximadamente 1 mm (1.000.000 nm). [ cita necesaria ] Esta banda de potencia de radiación significativa se puede dividir en cinco regiones en orden creciente de longitudes de onda : [20]
Tablas de radiación solar directa en varias pendientes de 0 a 60 grados de latitud norte, en calorías por centímetro cuadrado, publicadas en 1972 y publicadas por la Estación Experimental de Bosques y Pastizales del Noroeste del Pacífico, Servicio Forestal, Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Portland, Oregón, Estados Unidos. aparecer en la web. [25]
Los diferentes cuerpos del Sistema Solar reciben luz de una intensidad inversamente proporcional al cuadrado de su distancia al Sol.
Una tabla que compara la cantidad de radiación solar que recibe cada planeta del Sistema Solar en la parte superior de su atmósfera: [26]
El brillo real de la luz solar que se observaría en la superficie también depende de la presencia y composición de la atmósfera . Por ejemplo, la espesa atmósfera de Venus refleja más del 60% de la luz solar que recibe. La iluminación real de la superficie es de unos 14.000 lux, comparable a la de la Tierra "durante el día con nubes cubiertas". [27]
La luz del sol en Marte sería más o menos como la luz del día en la Tierra durante un día ligeramente nublado y, como se puede ver en las fotografías tomadas por los rovers, hay suficiente radiación del cielo difusa para que las sombras no parezcan particularmente oscuras. Por lo tanto, daría percepciones y "sensaciones" muy parecidas a la luz del día en la Tierra. El espectro en la superficie es ligeramente más rojo que el de la Tierra, debido a la dispersión del polvo rojizo en la atmósfera marciana.
A modo de comparación, la luz solar en Saturno es ligeramente más brillante que la luz solar de la Tierra durante el atardecer o el amanecer promedio. Incluso en Plutón, la luz del sol seguiría siendo lo suficientemente brillante como para casi igualar la sala de estar promedio. Para ver la luz del sol tan tenue como la luz de la luna llena en la Tierra, se necesita una distancia de aproximadamente 500 AU (~69 horas luz ); Sólo se han descubierto un puñado de objetos en el Sistema Solar que se sabe que orbitan a más distancia que esa distancia, entre ellos 90377 Sedna y (87269) 2000 OO 67 .
En la Tierra, la radiación solar varía con el ángulo del Sol sobre el horizonte , con una mayor duración de la luz solar en latitudes altas durante el verano, variando o sin luz solar en invierno cerca del polo correspondiente. Cuando la radiación directa no es bloqueada por las nubes, se experimenta como luz del sol . El calentamiento del suelo (y de otros objetos) depende de la absorción de la radiación electromagnética en forma de calor .
La cantidad de radiación interceptada por un cuerpo planetario varía inversamente con el cuadrado de la distancia entre la estrella y el planeta. La órbita y la oblicuidad de la Tierra cambian con el tiempo (a lo largo de miles de años), a veces formando un círculo casi perfecto y otras veces extendiéndose hasta una excentricidad orbital del 5% (actualmente 1,67%). A medida que cambia la excentricidad orbital, la distancia promedio al Sol (el semieje mayor no varía significativamente, por lo que la insolación total durante un año permanece casi constante debido a la segunda ley de Kepler ).
¿Dónde está el invariante de la "velocidad área"? Es decir, la integración a lo largo del período orbital (también invariante) es una constante.
Si asumimos la potencia de radiación solar P como constante en el tiempo y la irradiación solar dada por la ley del inverso del cuadrado , obtenemos también la insolación promedio como constante. Sin embargo, la distribución estacional y latitudinal y la intensidad de la radiación solar recibida en la superficie de la Tierra varían. [28] El efecto del ángulo del Sol sobre el clima da como resultado el cambio en la energía solar en verano e invierno. Por ejemplo, en latitudes de 65 grados, esto puede variar en más del 25% como resultado de la variación orbital de la Tierra. Debido a que los cambios en invierno y verano tienden a compensarse, el cambio en la insolación promedio anual en cualquier lugar dado es cercano a cero, pero la redistribución de energía entre verano e invierno afecta fuertemente la intensidad de los ciclos estacionales. Estos cambios asociados con la redistribución de la energía solar se consideran una causa probable del ir y venir de las recientes glaciaciones (ver: ciclos de Milankovitch ).
Las observaciones espaciales de la irradiancia solar comenzaron en 1978. Estas mediciones muestran que la constante solar no es constante. Varía en muchas escalas de tiempo, incluido el ciclo solar de 11 años de manchas solares. [29] Cuando se retrocede más en el tiempo, hay que confiar en reconstrucciones de irradiancia, utilizando manchas solares de los últimos 400 años o radionucleidos cosmogénicos para retroceder 10.000 años. Se han realizado reconstrucciones de este tipo. [30] [31] [32] [33] Estos estudios muestran que además de la variación de la irradiancia solar con el ciclo solar (el ciclo (Schwabe)), la actividad solar varía con ciclos más largos, como el propuesto de 88 años ( Ciclo de Gleisberg), 208 años (ciclo de DeVries) y 1.000 años (ciclo de Eddy).
La constante solar es una medida de densidad de flujo , es la cantidad de radiación electromagnética solar entrante por unidad de área que incidiría en un plano perpendicular a los rayos, a una distancia de una unidad astronómica (UA) (aproximadamente la distancia media desde el Sol a la Tierra). La "constante solar" incluye todos los tipos de radiación solar, no sólo la luz visible . Se pensaba que su valor promedio era de aproximadamente 1.366 W/m 2 , [34] variando ligeramente con la actividad solar , pero recalibraciones recientes de las observaciones satelitales relevantes indican que un valor más cercano a 1.361 W/m 2 es más realista. [35]
Desde 1978, una serie de experimentos satelitales superpuestos de la NASA y la ESA han medido la irradiancia solar total (TSI), la cantidad de radiación solar recibida en la parte superior de la atmósfera de la Tierra, en 1,365 kilovatios por metro cuadrado (kW/m 2 ). [34] [36] [37] [38] Las observaciones de TSI continúan con los experimentos con los satélites ACRIMSAT /ACRIM3, SOHO /VIRGO y SORCE /TIM. [39] Las observaciones han revelado variaciones de TSI en muchas escalas de tiempo, incluido el ciclo magnético solar [29] y muchos ciclos periódicos más cortos. [40] TSI proporciona la energía que impulsa el clima de la Tierra, por lo que la continuación de la base de datos de series temporales de TSI es fundamental para comprender el papel de la variabilidad solar en el cambio climático.
Desde 2003, el Monitor de Irradiación Espectral (SIM) SORCE ha monitoreado la irradiancia solar espectral (SSI), la distribución espectral de la TSI. Los datos indican que la SSI en la longitud de onda UV (ultravioleta) se corresponde de una manera menos clara, y probablemente más complicada, con las respuestas climáticas de la Tierra de lo que se suponía anteriormente, alimentando amplias vías de nuevas investigaciones sobre "la conexión del Sol y la estratosfera, la troposfera, la biosfera, océano y el clima de la Tierra". [41]
El espectro de iluminación de la superficie depende de la elevación solar debido a los efectos atmosféricos, dominando el componente espectral azul durante el crepúsculo antes y después del amanecer y el atardecer, respectivamente, y el rojo durante el amanecer y el atardecer. Estos efectos son evidentes en la fotografía con luz natural , donde la principal fuente de iluminación es la luz solar mediada por la atmósfera.
Si bien el color del cielo suele estar determinado por la dispersión de Rayleigh , se produce una excepción al atardecer y al crepúsculo. "La absorción preferencial de la luz solar por el ozono a lo largo de largos trayectos del horizonte le da al cielo cenital su color azul cuando el sol está cerca del horizonte". [42]
Consulte Radiación difusa del cielo para obtener más detalles.
Se puede decir que el Sol ilumina , lo cual es una medida de la luz dentro de un rango de sensibilidad específico. Muchos animales (incluidos los humanos) tienen un rango de sensibilidad de aproximadamente 400 a 700 nm, [43] y, en condiciones óptimas, la absorción y dispersión por la atmósfera de la Tierra produce una iluminación que se aproxima a un iluminante de igual energía para la mayor parte de este rango. [44] El rango útil para la visión del color en humanos, por ejemplo, es de aproximadamente 450 a 650 nm. Aparte de los efectos que surgen al atardecer y al amanecer, la composición espectral cambia principalmente con respecto a la forma directa en que la luz solar puede iluminar. Cuando la iluminación es indirecta, la dispersión de Rayleigh en la atmósfera superior hará que predominen las longitudes de onda azules. El vapor de agua en la atmósfera inferior produce una mayor dispersión y las partículas de ozono, polvo y agua también absorberán determinadas longitudes de onda. [45] [46]
La existencia de casi toda la vida en la Tierra se debe a la luz del Sol. La mayoría de los autótrofos , como las plantas, utilizan la energía de la luz solar, combinada con dióxido de carbono y agua, para producir azúcares simples, un proceso conocido como fotosíntesis . Estos azúcares luego se utilizan como componentes básicos y en otras vías sintéticas que permiten que el organismo crezca.
Los heterótrofos , como los animales, utilizan la luz del Sol indirectamente consumiendo los productos de los autótrofos, ya sea consumiendo autótrofos, consumiendo sus productos o consumiendo otros heterótrofos. Los azúcares y otros componentes moleculares producidos por los autótrofos luego se descomponen, liberando energía solar almacenada y dando al heterótrofo la energía necesaria para sobrevivir. Este proceso se conoce como respiración celular .
En la prehistoria , los humanos comenzaron a ampliar aún más este proceso al darle otros usos a materiales vegetales y animales. Usaban pieles de animales para calentarse, por ejemplo, o armas de madera para cazar. Estas habilidades permitieron a los humanos aprovechar más luz solar de la que era posible mediante la glucólisis únicamente, y la población humana comenzó a crecer.
Durante la Revolución Neolítica , la domesticación de plantas y animales aumentó aún más el acceso humano a la energía solar. Los campos dedicados a cultivos se enriquecieron con materia vegetal no comestible, proporcionando azúcares y nutrientes para futuras cosechas. Los animales que antes proporcionaban a los humanos sólo carne y herramientas una vez asesinados ahora se utilizaban como mano de obra durante toda su vida, alimentados por pastos no comestibles para los humanos. Los combustibles fósiles son restos de materia vegetal y animal antigua, formada utilizando la energía de la luz solar y luego atrapada dentro de la Tierra durante millones de años.
El efecto de la luz solar es relevante para la pintura , como se evidencia, por ejemplo, en las obras de Édouard Manet y Claude Monet en escenas y paisajes al aire libre.
Muchas personas consideran que la luz solar directa es demasiado brillante para su comodidad; de hecho, mirar directamente al Sol puede causar daños a la visión a largo plazo. [47] Para compensar el brillo de la luz solar, muchas personas usan gafas de sol . Los automóviles , muchos cascos y gorras están equipados con visores para bloquear la visión directa del Sol cuando el Sol está en un ángulo bajo. A menudo se impide que la luz del sol entre en los edificios mediante el uso de paredes , persianas , toldos , contraventanas , cortinas o árboles de sombra cercanos . La exposición al sol es biológicamente necesaria para la producción de vitamina D en la piel, un compuesto vital necesario para fortalecer los huesos y músculos del cuerpo.
En muchas religiones del mundo, como el hinduismo , el Sol es considerado un dios , ya que es la fuente de vida y energía en la Tierra. El Sol también era considerado un dios en el Antiguo Egipto .
Tomar el sol es una actividad de ocio popular en la que una persona se sienta o se tumba directamente al sol. La gente suele tomar el sol en lugares cómodos y donde haya mucha luz solar. Algunos lugares comunes para tomar el sol incluyen playas , piscinas al aire libre , parques , jardines y cafés al aire libre . Los bañistas suelen usar cantidades limitadas de ropa o algunos simplemente van desnudos . Para algunos, una alternativa a tomar el sol es el uso de una tumbona que genera luz ultravioleta y puede utilizarse en interiores independientemente de las condiciones climáticas. Las camas solares han sido prohibidas en varios estados del mundo.
Para muchas personas de piel clara, uno de los propósitos de tomar el sol es oscurecer el color de la piel (broncearse), ya que en algunas culturas esto se considera atractivo, asociado con actividades al aire libre, vacaciones y salud. Algunas personas prefieren tomar el sol desnudas para poder obtener un bronceado "completamente" o "uniforme", a veces como parte de un estilo de vida específico.
La helioterapia controlada , o tomar el sol, se ha utilizado como tratamiento para la psoriasis y otras enfermedades.
El bronceado de la piel se logra mediante un aumento del pigmento oscuro dentro de las células de la piel llamados melanocitos , y es un mecanismo de respuesta automática del cuerpo a una exposición suficiente a la radiación ultravioleta del sol o de lámparas solares artificiales. Así, el bronceado desaparece gradualmente con el tiempo, cuando ya no se está expuesto a estas fuentes.
La radiación ultravioleta de la luz solar tiene efectos tanto positivos como negativos para la salud, ya que es a la vez una fuente principal de vitamina D 3 y un mutágeno . [48] Un suplemento dietético puede suministrar vitamina D sin este efecto mutagénico, [49] pero evita los mecanismos naturales que evitarían las sobredosis de vitamina D generada internamente por la luz solar. La vitamina D tiene una amplia gama de efectos positivos para la salud, que incluyen fortalecer los huesos [50] y posiblemente inhibir el crecimiento de algunos cánceres. [51] [52] La exposición al sol también se ha asociado con el momento de la síntesis de melatonina , el mantenimiento de ritmos circadianos normales y la reducción del riesgo de trastorno afectivo estacional . [53]
Se sabe que la exposición prolongada a la luz solar está asociada con el desarrollo de cáncer de piel , envejecimiento de la piel , supresión inmune y enfermedades oculares como cataratas y degeneración macular . [54] La sobreexposición a corto plazo es la causa de quemaduras solares , ceguera por la nieve y retinopatía solar .
Los rayos ultravioleta, y por lo tanto la luz solar y las lámparas solares, son los únicos carcinógenos enumerados que se sabe que tienen beneficios para la salud, [55] y varias organizaciones de salud pública afirman que es necesario encontrar un equilibrio entre los riesgos de tener demasiada luz solar o demasiada. pequeño. [56] Existe un consenso general de que siempre se deben evitar las quemaduras solares.
Los datos epidemiológicos muestran que las personas que tienen más exposición a la luz solar tienen menos presión arterial alta y mortalidad relacionada con enfermedades cardiovasculares. Si bien la luz solar (y sus rayos ultravioleta) son un factor de riesgo de cáncer de piel, "evitar la exposición al sol puede conllevar más costos que beneficios para la buena salud general". [57] Un estudio encontró que no hay evidencia de que los rayos UV reduzcan la esperanza de vida en contraste con otros factores de riesgo como el tabaquismo, el alcohol y la presión arterial alta. [57]
Las dosis elevadas de UV -B solar aumentan la frecuencia de recombinación del ADN en plantas de Arabidopsis thaliana y tabaco ( Nicotiana tabacum ). [58] Estos aumentos van acompañados de una fuerte inducción de una enzima con un papel clave en la reparación recombinacional del daño del ADN. Por lo tanto, el nivel de radiación solar UV-B terrestre probablemente afecte la estabilidad del genoma en las plantas.
100 vatios por metro cuadrado... 14.000 lux... corresponde a... día con nubes cubiertas
La luz es una clase especial de energía radiante que abarca longitudes de onda entre 400 y 700 nm (o mμ), o 4000 a 7000 Å.
La luz del sol del mediodía (D55) tiene una distribución casi plana...
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