jueves, 17 de noviembre de 2011

Intercambio de energía por radiación

Absorción y reflexión de radiación
La absorción y la reflexión son dos de los procesos que sufre la radiación solar al pasar por la atmósfera, donde esta radiación es modificada como consecuencia de su interacción con los gases y las partículas suspendidas en la misma.
En general, la absorción es la asimilación de una sustancia por otra. En este caso, se puede definir como el proceso por el cual la radiación solar es tomada o retenida por una sustancia y convertida en otras formas de energía, en general energía térmica. La Ley de Conservación de la Energía está implícita en esta afirmación: la convicción de que la energía no se gana ni se pierde, sino que se transforma.
Del rayo solar original, de 100 unidades, tan solo 50 son absorbidas por la superficie de la Tierra. La atmósfera absorbe 16 unidades y las nubes 4. Esto significa que las otras 30 unidades se pierden en los procesos de dispersión y reflexión, como se explicará más adelante.
Estas son cifras promedio; es importante señalar que los valores pueden variar según la ubicación. Por ejemplo, en las latitudes altas, como el ángulo solar es menor, la emisión solar atraviesa una porción más ancha de la atmósfera que en las latitudes más bajas. Como consecuencia, hay más probabilidades de que el rayo sea interceptado, esparcido o reflejado en las latitudes altas que en lugares donde el Sol cae más verticalmente. En las latitudes altas, la superficie de la Tierra absorbe una cantidad menor.
Nuevamente, de acuerdo a la Ley de Conservación de la Energía, la mayor parte de estas 20 unidades de energía solar absorbida por la atmósfera y las nubes se aplican al aumento de la energía cinética de las moléculas que conforman la atmósfera. Este aumento se manifiesta como calentamiento del aire.
Es importante mencionar que las moléculas son absorbentes selectivos. Como resultado del pasaje de energía radiante de una fuente continua (el Sol), a través de un medio selectivamente absorbente más frío que la fuente (la atmósfera), se crea una serie de líneas y bandas de absorción que constituyen el espectro de absorción. La banda de absorción se define como un rango de longitudes de onda o frecuencias en el cual una sustancia absorbe energía radiante.
Como resultado de la creación de energía calórica, la sustancia también emite su propia radiación. En general, la absorción de radiación solar por parte de sustancias en la atmósfera de la Tierra tiene como resultado temperaturas inferiores a 1.800° Celsius. Según la Ley de Wien, los cuerpos con temperaturas a este nivel o inferiores emiten su radiación en la banda de onda larga. Una gran proporción de su radiación se pierde en el espacio.
La reflexión es otro proceso que modifica la radiación solar entrante en la atmósfera. La reflexión es el proceso por el cual “una superficie de discontinuidad devuelve una porción de la radiación incidente al medio por el cual llegó la radiación”. La luz solar es redirigida en 180° luego de incidir en una partícula atmosférica. Como establece la Ley de Snell, la energía es reflejada por una superficie con el mismo ángulo con el que inicialmente incidió sobre esa superficie. Esta redirección causa una pérdida de la radiación solar entrante del 100 %. Es muy importante tomar en cuenta la reflexión ya que cerca de un tercio de la energía del Sol es reflejada. Si no fuera por la reflexión, sería imposible ver gran parte del mundo que nos rodea, ya que los objetos opacos deben reflejar la luz para ser vistos. La discontinuidad que mencionamos cuando definimos la reflexión debe ser significativa con respecto al largo de onda de la radiación. De otro modo la energía podría ser devuelta por medio de refracción (el proceso por el cual la insolación es redirigida hacia una nueva trayectoria luego de penetrar otro medio), en lugar de reflexión. Un ejemplo de esto es un manto estratificado de nubes donde ocurriría más refracción que reflexión.
De toda la luz solar que pasa a través de la atmósfera anualmente, tan sólo el 51% está disponible en la superficie de la Tierra para funciones tales como la fotosíntesis, calor, evaporación, etc. Al igual que en la atmósfera, parte de la radiación recibida en la superficie de la Tierra es redirigida nuevamente al espacio por reflexión.
La reflectividad o albedo se define como la proporción de luz solar entrante que es reflejada. La reflectancia combinada de la atmósfera y la superficie de la Tierra es de alrededor del 30 %. La mayor parte de la reflexión en nuestra atmósfera tiene lugar en las nubes cuando la luz es interceptada por partículas de líquido y agua congelada. La reflectividad de una nube varía entre el 40 y el 90 %.  
En resumen, una gran proporción de la radiación solar entrante que llega a la Tierra y su atmósfera –70%- es absorbida (la superficie de la Tierra absorbe el 50%, las nubes el 4% y las moléculas de aire el 16%). El 30% restante es reflejado de vuelta al espacio.

La radiación 
La radiación es un factor importante en el proceso de transformar la energía solar en estado del tiempo. En términos generales se define como energía que es transmitida en forma de rayos, ondas o partículas. En muchas circunstancias, la luz se comporta como trenes de ondas de diferente longitud de onda, pero en cambio, algunos experimentos indican que se comporta como corrientes de partículas de energía radiante, conocidas como fotones. En resumen, la radiación solar es una forma de energía transmitida por el sol, compuesta de fotones, que son partículas con propiedades de onda, como ser longitud de onda. La radiación electromagnética emitida por el sol muestra una amplia gama de longitud de onda.
Esta variedad de energía radiante es conocida como el espectro electromagnético; la luz visible es solo una pequeña porción del mismo. Parte de esta energía es ultravioleta (a la derecha del espectro –longitud de onda más corta y fotones más energéticos), necesaria para completar el proceso de fotosíntesis, responsable del crecimiento de las plantas y otra parte de esta energía es recibida en una longitud de onda infrarroja (hacia la izquierda del espectro –longitud de onda más larga y fotones menos energéticos) responsable de calentar la Tierra. Afortunadamente, la tan peligrosa radiación ionizante, los rayos X y Gamma (a la derecha del espectro) no penetran la atmósfera terrestre.
La radiación solar no se distribuye uniformemente a través del mundo por ciertas variables como la altitud solar, asociada con la latitud y la estación del año, además de las condiciones atmosféricas, como son la cobertura nubosa y los diferentes grados de polución de cada zona. El total de radiación solar recibida a nivel de suelo consiste en radiación directa e indirecta (dispersada, difundida o reflejada). Además de ello, dependiendo del tipo de superficie que toca, la radiación es absorbida o reflejada en proporciones variadas; estos, absorción y reflexión, son fenómenos atmosféricos asociados. De hecho, la energía solar es absorbida por la Tierra y luego radiada nuevamente hacia la atmósfera como radiación infrarroja de onda larga; allí es absorbida por nubes, CO2, vapor de agua y otros gases presentes en cantidades mínimas. Parte de la energía es radiada por la atmósfera hacia el espacio y el resto retorna al planeta generando calor. Este proceso es conocido como Efecto Atmosférico, comúnmente denominado Efecto Invernadero.
La radiación solar es progresivamente más apreciada, no sólo por su bien conocida influencia en la vida, sino por las posibilidades de aplicación para propósitos humanos. Comparada con las diferentes formas de energía renovable, la radiación solar es una fuente perpetua de energía natural, con un gran potencial para una variada gama de aplicaciones gracias a su abundancia y accesibilidad.

El efecto invernadero
En términos simples, hay ciertos gases en la atmósfera que permiten la entrada de radiación solar pero restringen el flujo de salida de la radiación infrarroja, almacenando el calor al absorberlo y re-emitirlo, lo cual causa un calentamiento neto de la superficie. La magnitud de este calentamiento aumentado es conocido como el efecto invernadero, que cumple un papel preponderante en el mantenimiento de un ambiente favorable para la vida en la Tierra.
Los gases mencionados incluyen al vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el ozono troposférico, los CFC y el óxido nitroso. Para explicarlo mejor: la mayor parte de la luz solar que incide en la Tierra pasa a través de la atmósfera y es absorbida por la superficie terrestre. La superficie trata de mantener un equilibrio de energía, en parte mediante la emisión de su propia radiación. La mayor parte del calor irradiado por la superficie terrestre es absorbido por trazas de gases en la atmósfera inmediata y re-emitido en todas las direcciones.
El efecto invernadero es, de hecho, natural y necesario, haciendo posible la vida en la Tierra; el problema está dado cuando hay un aumento del mismo.
Es tan natural y necesario que si no existiera el efecto invernadero, la temperatura del mundo sería determinada por la cantidad de radiación solar entrante que calienta su superficie. A través de complejos cálculos y la aplicación de la ley de Stephan-Boltzmann, se estableció que la temperatura efectiva de la Tierra es de 253 K.
A una temperatura de 253K, la Tierra sería un lugar muy inhóspito, un mundo congelado. Sin embargo, las mediciones actuales indican que la temperatura media de nuestro planeta promediada a lo largo de un año y en todas las latitudes es alrededor de 288K, en lugar de 253K. Esta diferencia se debe al efecto invernadero.
El calentamiento global, es el calentamiento de la atmósfera por encima del efecto invernadero natural y beneficioso. El forzamiento radioactivo del sistema Tierra-atmósfera es el equilibrio o desequilibrio de la radiación solar absorbida y onda larga emitida (presupuesto energético) cuya magnitud puede cambiar debido a cualquier alteración en los siguientes factores: constante solar, albedo superficial, composición atmosférica y temperatura.
Nos concentraremos en la composición atmosférica: gases de invernadero y partículas sólidas. Las concentraciones de gases de invernadero en la atmósfera han aumentado y disminuido naturalmente durante miles de millones de años, creando períodos fríos y cálidos en la historia del planeta. Por ejemplo, los científicos creen que la progresión de la Era del Hielo tuvo que ver con el hecho de que la cantidad de dióxido de carbono natural en la atmósfera disminuyó a lo largo de miles de años, reduciendo el efecto invernadero, y enfriando el globo.
En realidad, cada gas de invernadero tiene su propio e importante papel en cuanto a la retención que realiza del calor del sol; entre ellos, se destaca el del vapor de agua, seguido por el dióxido de carbono. Algunos gases retienen la radiación solar mejor que otros. Por ejemplo, los CFC; si bien son de los gases menos abundantes, tienen un impacto relativo mayor que muchos otros, por su asombrosa capacidad de retención de la radiación solar.
Muchos climatólogos argumentan que estamos aumentando artificialmente el efecto invernadero, lo cual originaría problemas en el futuro; esto sucede fundamentalmente a través de la emisión industrial de gases de invernadero, especialmente el dióxido de carbono (CO2) y los aerosoles.
En el 2001, el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático concluyó que “es probable que la mayor parte del calentamiento observado en los últimos 50 años haya sido debido al aumento en las concentraciones de gases de invernadero”. El promedio de la temperatura global cerca de la superficie ha aumentado alrededor de medio grado centígrado en los últimos 100 años. Esta tendencia observada continúa a pesar de la influencia de la erupción del volcán Monte Pinatubo, la cual causó emisiones volcánicas (ácido sulfúrico) que redujeron la radiación solar entrante durante casi dos años.
En general, los científicos no piensan que esto se deba a causas naturales, sino al efecto invernadero aumentado, que deriva del crecimiento en las concentraciones de gases de invernadero, producido por las actividades industriales humanas. A pesar de que hay muchas incertidumbres, los científicos sugieren que las emisiones de gases de invernadero y aerosoles podrían llevar a un aumento de las temperaturas medias globales de entre 1 a 4 grados centígrados, hacia fines del próximo siglo. Esta tendencia al calentamiento global causará cambios significativos en el clima a nivel mundial, traduciéndose en cambios a nivel socio-demográfico. La humanidad y su calidad de vida, dependen ciertamente en alto grado del clima de nuestro planeta, que a su vez afecta a los alimentos, el agua y demás recursos de los que dependemos.
Se prevé que el calentamiento global tenga efectos muy variados de un lugar a otro: algunas zonas se volverían más secas mientras que otras, más húmedas; las sequias y las olas de calor se tornarían más comunes y la polución podría empeorar. Hay muchos elementos vitales cuya conservación depende de patrones de clima estables o por lo menos de cambios progresivos. Los cambios están sucediendo ahora demasiado rápidamente. Es de notar que las precipitaciones ya han aumentado 1% en el último siglo en todo el mundo, lo cual es mucho; también las precipitaciones extremas se han vuelto más frecuentes. Los recursos acuáticos, los bosques, la vida animal, las áreas costeras, los humedales y la salud... todos se verán seriamente afectados.
Podemos resumir el impacto del calentamiento global en tres áreas claves: cambios en el clima, cambios en el nivel del mar y cambios en la flora y fauna.
Los cambios regionales del clima como consecuencia del calentamiento global son difíciles de predecir con exactitud. Mientras algunos científicos hablan de un aumento en la frecuencia de las tormentas tropicales, otros predicen una disminución. Mientras algunos pronostican un debilitamiento de las áreas de alta y baja presión y las corrientes oceánicas que transportan el calor hacia los polos, otros esperan circulaciones más enérgicas.
Lo que es seguro es que aún hay mucho por aprender y los científicos atmosféricos tienen un arduo trabajo por hacer. En cuanto a los cambios en los mares, una de las consecuencias previstas del calentamiento global es el aumento del nivel del mar, entre unos 30 y 65 centímetros. Hay gran preocupación, especialmente en las costas bajas, en las cuales la erosión, las inundaciones ocasionales y las temporadas de tormentas frecuentes podrían tener consecuencias trágicas. La flora y la fauna también podrían ser fuertemente afectadas; el calentamiento global podría causar la extinción de algunas especies y la migración de otras. Además, la producción de alimentos, vegetales y ganado también se vería afectada severamente, especialmente en los países pobres, donde la inversión no puede compensar la acción del cambio climático mediante, por ejemplo, sistemas de irrigación que mitiguen la acción de las sequias.
La manera más inteligente de responder al calentamiento global es reducir las emisiones de gases de invernadero, además de encontrar un modo de manejar el efecto invernadero aumentado ya existente con medidas tecnológicas compensatorias. Este planteo es muy controvertido ya que requiere un manejo estratégico del calentamiento por medio de la alteración de las condiciones medioambientales, tal como liberar algunos contaminantes que tienen un efecto enfriante. La opción menos controversial para los gobiernos es adoptar la política de enlentecer o detener la deforestación y promover la reforestación (claro que siempre hay importantes intereses económicos en juego, que pueden abortar iniciativas de esta naturaleza). Algunas otras medidas sugeridas se basan en teorías como la de fertilización con hierro en los océanos del sur, promoviendo así el crecimiento de fitoplancton, el cual a través de la fotosíntesis, extraería grandes cantidades de CO2 de la atmósfera. Esto no se llevó a cabo, ya que las fases experimentales no fueron suficientemente exitosas.

Aplicaciones de la energía solar
Entre las múltiples aplicaciones de la energía solar se encuentran su aprovechamiento como luz directa, como fuente de calor y en la generación de electricidad principalmente, a continuación se amplia cada uno de estos usos:
Directa
Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.
Térmica
La energía solar puede utilizarse para el calentamiento de algún sistema que posteriormente permitirá la climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, entre otros, son aplicaciones térmicas. Actualmente existen diversas Centrales Solares Térmicas generando energía en el mundo, cuya base de funcionamiento es el uso indirecto de la energía solar.
Fotovoltaica
Es la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas (celda solar, auto solar), capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin necesariamente pasar por un efecto térmico. Para lograr esto la energía solar se recoge de una forma adecuada. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos.
Los sistemas de aprovechamiento térmico permiten que el calor recogido en los colectores pueda destinarse y satisfacer numerosas necesidades.
Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien generar calefacción a casas, hoteles, colegios, fábricas, entre otros. Incluso se pueden climatizar las piscinas para permitir su uso durante gran parte del año en aquellos países donde se presentan las estaciones.
Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las "células solares", dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.
La electricidad que se obtiene de esta manera puede usarse de forma directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. Las células solares están hechas con obleas (láminas) finas de silicio, arseniuro de galio u otro.
Hornos solares
Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.
Enfriamiento solar
Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. En general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.

Emisión, absorción y reflexión de radiación
Calor
La energía infrarroja es la que experimentamos en la forma de calor de todos los días, como la luz del sol, un incendio, un radiador o una acera caliente. Esto está entre las secciones visibles y de microondas del espectro electromagnético. La luz infrarroja tiene un rango de longitudes de onda desde la luz roja hasta la violeta. El porcentaje de energía radiante emitida por intervalo de unidad de longitud de onda es llamado función de la distribución de la energía espectral
Como se indica en el diagrama más abajo, solamente una banda angosta entre 380 nm y 780 nm del espectro solar recibida en la superficie de la tierra es visible al ojo humano, mientras que la radiación bajo 380 nm (ultravioleta) y alrededor de 3000 nm (casi infrarroja) y más allá es invisible.
Cuando los rayos infrarrojos chocan con la superficie del vidrio, éstos son: reflejados, transmitidos o absorbidos.
Reflexión
La reflexión solar es la habilidad de la superficie de un material, vidrio en este caso, de reflejar la luz del sol (incluyendo la longitud de onda visible, infrarroja, y ultravioleta) en una escala de 0 a 1. La reflexión solar también se llama “albedo”. Un valor albedo de 0.0 indica que la superficie absorbe toda la radiación solar, y un valor albedo de 1.0 representa reflexión total.
Índice de Reflexión Solar
Es un valor que incorpora la reflexión y la emisión en un solo valor para representar la temperatura de un material en el sol. Este índice cuantifica cuan caliente se puede poner una superficie relativo al negro y blanco estándar. Se calcula usando ecuaciones basadas en valores medidos previamente de reflexión y emisión. Se expresa como fracción (0.0 a 1.0) o porcentaje (0% a 100%)
Transmisión
La transmisión es el porcentaje de luz visible o energía solar que, incidiendo en forma normal pasa directamente a través del vidrio. Por ejemplo, cuando la luz del sol choca con la superficie de un vidrio un porcentaje de luz es absorbida por el vidrio, otra parte se refleja de vuelta hacia la atmósfera y otra parte es transmitida a objetos cercanos o hacia abajo de la tierra.
Emisividad es la habilidad de la superficie de absorber o emitir la radiación electromagnética. El vidrio naturalmente tiene una alta emisividad. Sin embargo, cuando se utiliza un vidrio con un revestimiento de baja emisividad (Low– E) la superficie del vidrio no absorbe la energía radiante si no que la refleja de vuelta hacia el interior mejorando el valor U del vidrio.
Transmisión de Calor Solar:
Es la cantidad total de calor que pasa a través del vidrio. Se mide a través del Coeficiente de Sombra.
Absorción
Todo el calor absorbido produce calor.
El calor fluye desde las temperaturas más frías a las más calientes. Por esta razón, el calor producido por absorción eleva la temperatura del material por debajo de la superficie, que es conducida al material o disipada de la superficie a los alrededores por reirradiación, conducción, y convección.

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