Los seres humanos, así como todas las criaturas vivientes que habitamos en este planeta, nos encontramos en el fondo de un mar.
Pero, contra lo que pudiera pensarse, este mar no es de agua sino de
aire y se le denomina la atmósfera. De no hallarnos en el fondo de
dicho mar sino en su superficie, moriríamos muy rápidamente asfixiados
por el vacío espacial.
Empero, como todo aquello que posee ventajas y desventajas, desde el
punto de vista de la energía solar este mar que nos mantiene vivos
también implica un costo en la forma de absorción atmosférica de la
energía incidente. El valor de 1 366 watts por cada metro cuadrado
especificado para la Constante Solar solamente aplica para las
condiciones del vacío espacial en la región de la órbita terrestre. En
su trayecto a través de las diversas capas de aire que conforman la
atmósfera, la irradiación solar sufre una absorción de manera que su
magnitud disponible al nivel del suelo resulta significativamente menor.
La afectación depende de factores tales como la longitud del recorrido
a través de la atmósfera – que, a su vez, es función del ángulo de
incidencia – y la presencia de agentes contaminantes suspendidos en el
aire que influyen sobre su opacidad.
Para cuantificar la absorción atmosférica y estimar la irradiación
recibida sobre la superficie terrestre suele recurrirse al concepto
conocido como “Masa de Aire” (Air Mass), tal cómo se ilustra en la
siguiente figura.
Efecto de la masa de aire (air mass) sobre la irradiación solar entrante.
Para una localidad en el vacío espacial, fuera de la atmósfera
terrestre, la Masa de Aire es nula, con valor AM0; es decir, no existe
efecto alguno de atenuación sobre la irradiación solar. En cambio, al
tratarse de una ubicación sobre la superficie terrestre con el Sol
directamente encima en el zenit, la Masa de Aire es unitaria, lo cual se
designa como AM1. Esto corresponde al trayecto con la longitud mínima
posible a través de la atmósfera Así mismo, para una situación con el
Sol en el horizonte, la Masa de Aire alcanza un valor aproximado de 38 y
que se relaciona con el recorrido de máxima longitud a través del aire.
Con el objeto de conocer el valor de la Masa de Aire para cualquier
posición del Sol en el cielo, se define al ángulo zenital como aquel que
separa a la visual al Sol de la vertical local. Así, por ejemplo, se
tiene que el valor AM1 corresponde a un ángulo zenital cero grados – Sol
en el zenit –, mientras que para el Sol en el horizonte, con AM38, el
ángulo zenital alcanza los noventa grados. La siguiente función
estimadora, desarrollada experimentalmente por F. Kasten, y A.T. Young
en 1989[KAS-1], expresa el valor de la Masa de Aire en
términos del ángulo zenital, considerando la curvatura de la atmósfera
sobre la superficie terrestre, el gradiente de densidad de las capas de
aire en función de la altitud sobre dicha superficie y el efecto de
refracción que tiende a curvar la trayectoria de la luz solar incidente.
Donde 
representa el ángulo zenital medido en grados.
Las figuras a continuación muestran el efecto progresivo de atenuación
de la luz solar a medida que el Sol se aleja del zenit y tiende más
hacia el horizonte, incrementando el ángulo zenital y la Masa de Aire.
Para todas las curvas ilustradas la magnitud de la
irradiancia total – medida en watts por metro cuadrado – se determina
como la integral de la función; esto es, el área bajo la curva. La
curva de distribución espectral AM0, trazada en color naranja, muestra
una magnitud para la irradiancia solar igual a 1331.4 watts por metro
cuadrado, tomando una ponderación entre 0.30 y 3.60 micrómetros
correspondiendo a las regiones ultravioleta cercano, visible e
infrarrojo cercano, las cuáles aportan la mayoría de la energía
incidente.
Obsérvese como la irradiancia total disponible sufre una degradación
en su valor en la medida que se incrementa la Masa de Aire. Para el
caso AM1 – color púrpura, ángulo zenital cero grados – la cifra se
reduce a 889.1 watts por metro cuadrado. Con AM4 – color azul, ángulo
zenital de 75.74 grados – la irradiancia disminuye a 448.6 watts por
metro cuadrado. Por último, con AM10 – color verde, ángulo zenital de
84.81 grados – el valor alcanza tan sólo 153.8 watts por metro cuadrado.
Otra propiedad interesante inherente a la absorción
atmosférica se relaciona con el “corrimiento hacia el rojo”. Nótese que
el punto máximo de la distribución migra progresivamente hacia mayores
longitudes de onda al aumentar la Masa de Aire. Esto justifica el hecho
que el Sol luzca más rojizo cuando se ubica más próximo al horizonte.
Con todo lo anterior se establece que no resulta
factible aprovechar plenamente la totalidad de la energía solar
incidente pues una gran parte se pierde a su paso a través de la
atmósfera. Y cabe señalar que todas las curvas ilustradas corresponden
al caso de una atmósfera clara, sin contaminantes.
En la próxima edición se tratará el tema referente al
efecto que sobre la absorción de la irradiación solar tienen aquellos
agentes que provocan pérdida de transparencia, oscureciendo el aire y
tornando grises nuestros cielos.
[KAS-1]: Kasten, F. et al (15/nov/1989); Revised optical air mass tables and approximation formula;
USA: Applied optics 28; pp. 4735 - 4738
