4.2: Insolación

La Tierra está “constantemente” bañada en radiación solar. En promedio, la Tierra recibe 1368 W/m ² (1.96 ly/min) de radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, llamada la "constante solar”. Sin embargo, la cantidad real recibida en el borde de la atmósfera y la superficie de la Tierra varía de un lugar a otro y día a día a causa de la orientación de la Tierra al Sol. La radiación solar que se abre paso a través de la atmósfera y hacia la superficie se llama insolación. La cantidad de insolación recibida en la superficie depende de 1) el ángulo del sol, 2) la duración del día, 3) la pendiente del suelo, 4) la longitud del camino y 5) el estado de la atmósfera.

Ángulo solar e insolación

La cantidad e intensidad de la radiación solar que llega a la Tierra se ve afectada por la inclinación del eje de la Tierra y su orientación a medida que gira alrededor del Sol. El ángulo del sol en un lugar varía a lo largo del año como consecuencia de la constante inclinación y paralelismo del eje terrestre. A medida que disminuye el ángulo del sol, la luz se extiende sobre un área más grande y disminuye en intensidad (entrada de energía por unidad de área).

Figura\(\PageIndex{1}\): Ángulo solar y área iluminada

La figura\(\PageIndex{2}\) ilustra el efecto de cambiar el ángulo del sol en el área iluminada y la intensidad del calentamiento en diferentes ángulos del sol. Los haces A y B tienen la misma cantidad de energía a medida que pasan a través de la atmósfera como se muestra al tener la misma anchura. El haz A golpea la superficie en un ángulo de 90 grados, el ángulo más alto que puede tener un haz de luz. Ilumina el área delineada por el cuadrado sólido. La viga B golpea la superficie en un ángulo menor que A. Su energía se extiende sobre un área más grande, la misma área que A más el área encerrada por las líneas discontinuas. El resultado de esparcir la misma energía sobre un área más grande es reducir la intensidad. La entrada de menor intensidad da como resultado menos calentamiento.

Figura\(\PageIndex{2}\): El ángulo solar determina la intensidad de la energía.

Piensa en el ángulo del sol como lo alto que aparece el Sol sobre tu horizonte. El ángulo cenital del Sol es el ángulo que hace un haz de luz con una línea dibujada perpendicular a la superficie. Piense en el ángulo cenital como qué tan lejos está el Sol de estar directamente sobre la cabeza. La radiación solar entrante más intensa ocurre donde los rayos del Sol golpean la Tierra en el ángulo más alto. Para cualquier ubicación en particular esto ocurre al mediodía. Este ángulo se conoce como el "ángulo del sol del mediodía”. Los que viven en latitudes medias y altas probablemente hayan notado que el Sol nunca aparece directamente sobre la cabeza al mediodía de un día determinado. Esto se debe a los cambios estacionales en la declinación del Sol, la distancia angular al norte o al sur del ecuador donde el Sol está directamente por encima. La latitud donde el Sol está directamente sobre la parte superior al mediodía es el punto subsolar.

Daylength e insolación

En el Capítulo 2: El Sistema Terrestre descubrimos que la inclinación del eje terrestre y el constante paralelismo de la tierra a medida que gira alrededor del sol provoca que la duración del día cambie a lo largo del año, excepto el ecuador. El círculo de iluminación siempre biseca el ecuador dando como resultado la misma duración del día, pero corta todas las demás latitudes de manera desigual, produciendo periodos desiguales de día y noche excepto los equinoccios. En pocas palabras, cuanto más largo es el período de luz diurna, más insolación se recibe en un lugar determinado.

Figura\(\PageIndex{3}\): Orientación de la Tierra al Sol

Talud del suelo e insolación

La pendiente de la superficie que incide un haz de luz afecta la intensidad de la energía que recibe. La pendiente afecta la intensidad de la insolación de dos maneras, 1) el grado de inclinación de la pendiente y 2) la orientación de la pendiente a la luz entrante.

Figura\(\PageIndex{4}\): Efecto del cambio de pendiente sobre el ángulo del sol

El efecto de la pendiente del suelo es cambiar el ángulo que un haz de luz incide sobre la tierra (es decir, el ángulo del sol). La figura\(\PageIndex{4}\) muestra un haz de luz que incide en pendiente horizontal en un ángulo de 45 ^o a la izquierda. A la derecha, la pendiente se inclina a un ángulo de 45 ^o mientras se mantiene la viga que llega a la tierra como estaba antes. Al inclinar la superficie hacia el Sol, efectivamente aumentas el ángulo del sol. Al aumentar el ángulo del sol se incrementa la intensidad de la energía recibida en la superficie.

Figura\(\PageIndex{5}\): Efecto de la orientación sobre la insolación.

La orientación o dirección a la que se enfrenta la pendiente también afecta la cantidad de insolación recibida. Las pendientes orientadas hacia el Sol reciben más mientras que las que miran a otro lado reciben menos. Algunas superficies pueden ser sombreadas durante una porción del día por obstrucciones que reducen la cantidad de insolación recibida por ellas.

El siguiente video ilustra el efecto de la orientación sobre la insolación en las montañas de la Cordillera Cascade. Comienza la película y mira cómo la orientación de la pendiente afecta el sombreado. Norte está en la parte superior del video. A medida que sale el sol las laderas orientadas al este están recibiendo luz solar mientras que las laderas occidentales están a la sombra. A medida que el Sol viaja hacia el sur, el rango se alinea paralelo a la luz entrante y ambas pendientes están bañadas por la luz solar. A medida que el Sol se pone en el oeste a última hora de la tarde, las laderas orientadas al oeste están recibiendo luz y la pendiente oriental están a la sombra.

Video: Simulación de luz diurna en el Bosque Nacional Wenatchee, Washington

Longitud de trayectoria e insolación

La distancia que recorre un haz de luz afecta la cantidad de energía solar que finalmente llega a la Tierra. La luz se extiende hacia afuera en todas las direcciones cuando es emitida por el Sol. A medida que la luz se propaga, su intensidad al llegar a lugares distantes disminuye. La intensidad de la luz disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre el Sol y el receptor, una relación conocida como ley cuadrada inversa. La Tierra recibe alrededor de la mitad de la mil millonésima parte de la producción total de energía del Sol.

Figura\(\PageIndex{6}\): Influencia de la longitud de trayectoria atmosférica sobre la insolación

La distancia Tierra-Sol solo varía en unos 3 millones de millas en comparación con una distancia promedio de 93 millones de millas a lo largo del año. Así, la longitud del camino no cambia mucho ya que la Tierra gira alrededor del Sol. Pero una vez que la luz solar alcanza el borde exterior de la atmósfera, el grosor de la atmósfera tiene un impacto significativo en la insolación. Debido a la curvatura de la Tierra, un haz de luz que golpea el Ecuador pasa a través de menos atmósfera que uno a una latitud mayor. A medida que aumenta la cantidad de atmósfera a través de la cual pasa el haz, mayor es la probabilidad de que se produzca la reflexión y dispersión de la luz, reduciendo así la insolación en la superficie.

Estado de la Atmósfera y la Insolación

Nubes, partículas y aerosoles suspendidos en el aire tienen un efecto dramático en la transmisión de la insolación. Estos componentes de la atmósfera absorben la radiación emitida por la tierra, reflejan la radiación solar entrante de regreso al espacio y dispersan la luz en muchos haces más débiles. La dispersión de la luz por las partículas en la atmósfera es responsable del color del cielo. Las nubes son particularmente importantes para determinar la cantidad de insolación. Las nubes pueden reflejar mucha luz de regreso al espacio o dispersar y difundir la luz.

Figura\(\PageIndex{7}\): El cielo azul brillante sobre el desierto de Amargosa, Nevada, es causado por la dispersión de todas las longitudes de onda menos azules. (Cortesía USGS. Fuente)

Figura\(\PageIndex{8}\): La dispersión de longitudes de onda rojas crea esta hermosa puesta de sol sobre el océano. Al estar en el horizonte, la longitud del camino es más larga creando una mayor probabilidad de dispersar la luz. (Cortesía de la División de Ciencias Químicas de la ESRL de la NOAA, Boulder, Colorado, USA. Fuente)

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Profundizando: Atenuación global

Las actividades humanas, desde la agricultura hasta la industria, liberan partículas al aire. Estudios realizados en muchas partes del mundo indican que la insolación ha ido disminuyendo a medida que las concentraciones de partículas han ido aumentando, un fenómeno llamado oscurecimiento global. Investigaciones realizadas en Maldivas demostraron que el aire sucio que descendía de la India produjo una capa contaminante de tres kilómetros de espesor que colgaba sobre las islas del norte. La capa contaminante redujo la luz solar que llega al océano en más de un 10 por ciento. Los científicos del clima temen que la reducción de la insolación por partículas atmosféricas esté enmascarando la verdadera magnitud del calentamiento global. Una reducción de la contaminación por partículas para proteger la salud humana puede provocar un aumento de la insolación y así acelerar el calentamiento global.

Figura\(\PageIndex{9}\): Se cree que las estelas de los jets de pasajeros impactan en el rango diario de temperatura. (Cortesía NWS NOAA Source)

Las estelas son nubes producidas a partir de los gases de escape de chorro y han sido objeto de investigación desde hace algún tiempo. Son difíciles de estudiar porque se desarrollan y se disipan con bastante rapidez, o tantos de ellos en el cielo se fusionan. Esto dificulta la realización de estudios basales en nubes individuales. Cuando se forman por primera vez son gruesas y redondeadas bloqueando la luz como nubes de estratos bajos haciendo que el aire se enfríe. Con el tiempo se transforman en nubes más delgadas como cirros altos mejor para absorber la radiación calentando así el aire. Cuando se suspendió el transporte aéreo sobre Estados Unidos poco después de los acontecimientos del 11 de septiembre de 2001, los científicos atmosféricos tuvieron la oportunidad de estudiar el efecto de las estelas sobre el clima. Lo que encontraron fue que los rangos de temperatura diarios aumentaron hasta dos grados Fahrenheit en ausencia de estelas sobre los Estados Unidos contiguos.

Video: Cambio climático y atenuación global (Cortesía de The MetOffice)

Jim Haywood, experto en clima del Met Office Hadley Centre, explica el fenómeno de la atenuación global y los impactos en el calentamiento global.