La luz solar es una parte de la radiación electromagnética emitida por el Sol , en particular la luz infrarroja , visible y ultravioleta . En la Tierra , la luz solar se dispersa y se filtra a través de la atmósfera terrestre como luz del día cuando el Sol está sobre el horizonte . Cuando la radiación solar directa no está bloqueada por las nubes , se experimenta como luz solar , una combinación de luz brillante y calor radiante (atmosférico). Cuando está bloqueada por las nubes o se refleja en otros objetos , la luz solar 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 tanto positivos como negativos para la salud, ya que es a la vez un requisito para la síntesis de vitamina D3 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 partiera del centro del Sol y cambiara 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 procedente 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 entrada de la luz solar. La irradiación 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 al suelo, se deben tener en cuenta tanto la excentricidad de la órbita elíptica de la Tierra como la atenuación provocada por 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 acercamiento más cercano al Sol y, por lo tanto, la máxima 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 UA) al cuadrado y el afelio (1,01671033 UA) al cuadrado debería 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 desde el Sol en el cenit depende de la distancia al Sol y, por lo tanto, de la época del año. Es aproximadamente un 3,3% más alta que el promedio en enero y un 3,3% más baja 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 cantidad total (directa e indirecta desde 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 de alrededor del 52 al 55 por ciento infrarroja (por encima de 700 nm ), del 42 al 43 por ciento visible (400 a 700 nm) y del 3 al 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, con aproximadamente un 8% de radiación ultravioleta (UV), [8] y la mayor parte de la radiación ultravioleta adicional consiste en radiación ultravioleta de onda corta biológicamente dañina. [9]
La luz solar directa tiene una eficacia luminosa de unos 93 lúmenes por vatio de flujo radiante . Esto es superior a la eficacia (de la fuente) de la iluminación artificial distinta de los LED , lo que significa que el uso de la luz solar para la iluminación calienta una habitación menos que la iluminación fluorescente o incandescente. Multiplicando la cifra de 1.050 vatios por metro cuadrado por 93 lúmenes por vatio, se 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 que esto si el Sol no está muy alto en el cielo. En promedio durante un día, la mayor cantidad de luz solar en una superficie horizontal se produce en enero en el Polo Sur (véase 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 la media de todo el disco debido al oscurecimiento del limbo ). Multiplicando esto por π se obtiene un límite superior para la irradiancia que se puede enfocar sobre una superficie utilizando espejos: 48,5 MW/m 2 . [10]
El espectro de la radiación solar del Sol puede compararse con el de un cuerpo negro [11] [12] con una temperatura de unos 5.800 K [13] (véase el 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 energía súper alta en fotones de energía más baja antes de que alcancen la superficie del Sol y se emitan al espacio. Como resultado, la fotosfera del Sol no emite mucha radiación X ( rayos X solares ), aunque sí emite "radiaciones duras" como rayos X e incluso rayos gamma durante las erupciones solares . [14] El Sol tranquilo (sin erupciones), incluida su corona , emite una amplia gama de longitudes de onda: rayos X , ultravioleta , luz visible , infrarrojos y ondas de radio . [15] Diferentes profundidades en la fotosfera tienen diferentes temperaturas, y esto explica parcialmente las desviaciones de un espectro de cuerpo negro. [16]
También hay un flujo de rayos gamma procedentes del Sol en reposo, que obedece 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 firma 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 potencia de salida del Sol (véase el espectro a la derecha). El espectro de casi toda la radiación electromagnética solar que llega a la atmósfera de la Tierra abarca un rango de 100 nm a aproximadamente 1 mm (1.000.000 nm). [ cita requerida ] Esta banda de potencia de radiación significativa se puede dividir en cinco regiones en orden creciente de longitudes de onda : [20]
En la web aparecen tablas de radiación solar directa en varias pendientes desde 0 a 60 grados de latitud norte, en calorías por centímetro cuadrado, emitidas 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. [25]
Los diferentes cuerpos del Sistema Solar reciben luz con 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 observa en la superficie también depende de la presencia y composición de una atmósfera . Por ejemplo, la densa 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 que hay en la Tierra "durante el día con nubes nubladas". [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 imágenes tomadas por los rovers, hay suficiente radiación difusa en el cielo como para que las sombras no parezcan especialmente oscuras. Por lo tanto, daría percepciones y "sensaciones" muy similares 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 terrestre en el amanecer o el atardecer promedio. Incluso en Plutón, la luz solar sería lo suficientemente brillante como para casi igualar la de una sala de estar promedio. Para ver la luz solar tan tenue como la luz de la luna llena en la Tierra, se necesita una distancia de aproximadamente 500 UA (~69 horas luz ); solo se han descubierto un puñado de objetos en el Sistema Solar que se sabe que orbitan a una distancia mayor que esa, 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 las latitudes altas durante el verano, y una ausencia total de luz solar en invierno cerca del polo correspondiente. Cuando la radiación directa no está bloqueada por las nubes, se percibe como luz solar . El calentamiento del suelo (y 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 media al Sol (el semieje mayor no varía significativamente, por lo que la insolación total a lo largo de un año permanece casi constante debido a la segunda ley de Kepler .
donde es la "velocidad de área" invariante. Es decir, la integración sobre el período orbital (también invariante) es una constante.
Si asumimos la potencia de la radiación solar P como una constante en el tiempo y la irradiación solar dada por la ley del cuadrado inverso , obtenemos también la insolación media como una 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 resulta en el cambio de 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 media anual en cualquier ubicación dada es cerca de cero, pero la redistribución de energía entre verano e invierno afecta fuertemente la intensidad de los ciclos estacionales. Tales cambios asociados con la redistribución de la energía solar se consideran una causa probable para la aparición y desaparición de las edades de hielo recientes (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 manchas solares de 11 años. [29] Cuando se retrocede más en el tiempo, uno tiene que confiar en reconstrucciones de irradiancia, utilizando manchas solares de los últimos 400 años o radionucleidos cosmogénicos para retroceder 10.000 años. Tales reconstrucciones se han realizado. [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 Gleisberg), 208 años (ciclo DeVries) y 1.000 años (ciclo Eddy).
La constante solar es una medida de la 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 del Sol a la Tierra). La "constante solar" incluye todos los tipos de radiación solar, no solo la luz visible . Se pensaba que su valor promedio era 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 superpuestos de satélites 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 satelitales ACRIMSAT /ACRIM3, SOHO /VIRGO y SORCE /TIM. [39] Las observaciones han revelado la variación 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 Irradiancia Espectral (SIM) de 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, lo que alimenta amplias líneas de nueva investigación en "la conexión del Sol y la estratosfera, la troposfera, la biosfera, el 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, siendo el componente espectral azul el que predomina durante el crepúsculo antes y después del amanecer y el atardecer, respectivamente, y el rojo el que predomina 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 anochecer. "La absorción preferencial de la luz solar por el ozono en trayectorias de horizonte largo le da al cielo cenital su color azul cuando el sol está cerca del horizonte". [42]
Se puede decir que el Sol ilumina , que 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 dadas las 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 en que la luz solar puede iluminar directamente. 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 longitudes de onda particulares. [45] [46]
La existencia de casi toda la vida en la Tierra se alimenta de 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 se utilizan luego como bloques de construcción y en otras vías sintéticas que permiten que el organismo crezca.
Los heterótrofos , como los animales, utilizan la luz del sol indirectamente al consumir 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 se descomponen, liberando la energía solar almacenada y proporcionando al heterótrofo la energía necesaria para la supervivencia. Este proceso se conoce como respiración celular .
En la prehistoria , los seres humanos comenzaron a ampliar este proceso al darle otros usos a los materiales vegetales y animales. Usaban pieles de animales para calentarse, por ejemplo, o armas de madera para cazar. Estas habilidades permitieron a los seres 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 los cultivos se enriquecieron con materia vegetal no comestible, lo que proporcionó azúcares y nutrientes para futuras cosechas. Los animales que anteriormente habían proporcionado a los humanos solo carne y herramientas una vez que eran asesinados, ahora se usaban para el trabajo durante toda su vida, alimentados por hierbas no comestibles para los humanos. Los combustibles fósiles son los restos de materia vegetal y animal antigua, formada utilizando 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 al aire libre y paisajes.
Muchas personas encuentran 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 viseras para bloquear el sol de la visión directa cuando el sol está en un ángulo bajo. La luz solar a menudo se bloquea para que no entre en los edificios mediante el uso de paredes , persianas , toldos , contraventanas , cortinas o árboles de sombra cercanos . La exposición al sol es necesaria biológicamente para la producción de vitamina D en la piel, un compuesto vital necesario para formar huesos y músculos fuertes en el 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 recuesta bajo la luz solar directa. La gente suele tomar el sol en lugares cómodos donde hay abundante 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 llevar una cantidad limitada de ropa o algunos simplemente van desnudos . Para algunos, una alternativa a tomar el sol es el uso de una cama solar que genera luz ultravioleta y se puede utilizar 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 y se asocia con las actividades al aire libre, las vacaciones y la salud. Algunas personas prefieren tomar el sol desnudas para obtener un bronceado "completo" o "uniforme", a veces como parte de un estilo de vida específico.
La helioterapia controlada , o baños de sol, se ha utilizado como tratamiento para la psoriasis y otras enfermedades.
El bronceado de la piel se consigue mediante un aumento del pigmento oscuro en el interior de las células cutáneas llamadas melanocitos , y es un mecanismo de respuesta automática del organismo a la exposición suficiente a la radiación ultravioleta del sol o de lámparas solares artificiales. Así, el bronceado va desapareciendo gradualmente con el tiempo, cuando uno ya no se expone a estas fuentes.
La radiación ultravioleta de la luz solar tiene efectos tanto positivos como negativos para la salud, ya que es una fuente principal de vitamina D3 y un mutágeno . [48] Un suplemento dietético puede proporcionar vitamina D sin este efecto mutagénico, [49] pero evita los mecanismos naturales que evitarían las sobredosis de vitamina D generadas internamente a partir de la luz solar. La vitamina D tiene una amplia gama de efectos positivos para la salud, que incluyen el fortalecimiento de los huesos [50] y posiblemente la inhibición del 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 los 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 inmunológica y enfermedades oculares como cataratas y degeneración macular . [54] La sobreexposición a corto plazo es la causa de quemaduras solares , ceguera de 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 debe haber un equilibrio entre los riesgos de recibir demasiada luz solar o muy poca. [56] Existe un consenso general de que las quemaduras solares siempre deben evitarse.
Los datos epidemiológicos muestran que las personas que se exponen más a la luz solar tienen menos presión arterial alta y menos mortalidad relacionada con enfermedades cardiovasculares. Si bien la luz solar (y sus rayos ultravioleta) son un factor de riesgo para el cáncer de piel, "evitar la exposición al sol puede tener más efectos negativos que beneficiosos para la salud en general". [57] Un estudio concluyó que no hay evidencia de que la radiación ultravioleta reduzca 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 radiación solar UV -B aumentan la frecuencia de recombinación del ADN en plantas de Arabidopsis thaliana y tabaco ( Nicotiana tabacum ). [58] Estos aumentos están acompañados por una fuerte inducción de una enzima con un papel clave en la reparación recombinatoria del daño del ADN. Por lo tanto, el nivel de radiación solar UV-B terrestre probablemente afecta la estabilidad del genoma en las plantas.
100 vatios por metro cuadrado... 14.000 lux... corresponde a... día con nubes nubladas
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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