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La radiación solar como un recurso

El planeta tierra fundamenta la mayor parte de sus ecosistemas en los organismos autótrofos fotosintéticos que son básicos para la vida tal y como la entendemos, por tanto, la radiación solar es un recurso clave para la vida en la tierra. Por poner un ejemplo de ecosistema que no necesita radiación solar serían las fumarolas en las dorsales oceánicas donde no llega la luz.

Un recurso se consume y los recursos pueden ser fuente de energía o de materia, en este caso, la radiación solar es una fuente de energía casi imprescindible .

radiación solar

La atmósfera actúa como los microcosmos, como un sistema cerrado para la materia pero abierto para la energía. Así hay un ciclo de nutrientes y otro de energía.

La atmósfera recibe la radiación procedente del sol de la que el 42% es la luz visible cuya longitud de onda es de entre 360 y 760 nm. Está formada por quantos que tienen la energía necesaria para ser captada con eficacia y precisión en las estructuras vivas. En el caso de los vegetales, los pigmentos de los cloroplastos absorben radiaciones de este rango de longitud de onda y por tanto se habla de la radiación fotosintéticamente activa o PAR en un intervalo de 400 a 700 nm.

La radiación de onda corta 290-360 nm o ultravioleta UV lleva mucha energía y altera las estructuras vivas (y es la responsable de mutaciones genéticas en los organismos vivos).

La radiación de onda larga 760-3000 nm o infrarroja IR es percibida como calor por los vertebrados, llevan poca energía y aceleran reacciones químicas de forma inespecífica.

El ciclo de la materia es:

PRODUCTORES —-> ALMACENAMIENTO —–> CONSUMIDORES —-> ALMACENAMIENTO—-PRODUCTORES

Si hablamos del carbono hay que tener en cuenta que una parte vuelve a la atmósfera en forma de CO2, ya que la degradación de la materia orgánica da como resultado CO2 y agua (líquida o en forma de vapor). Mientras que en el caso del nitrógeno, fósforo, azufre… siguen este ciclo ya que están presentes en los aminoácidos y otras estructuras moleculares.

Toda la energía que entra en la Biosfera es utilizada, pero en última instancia se tiene que devolver, como por ejemplo por calor. Hay partes de la energía que se absorben y se convierten en calor así la longitud de onda que se absorbe es menor que la que se devuelve.

Unidades en las que se mide la radiación solar

La radiación se expresa como unidades de potencia y de energía.

Caloría-gramo: es la cantidad de energía necesaría para elevar la temperatura de de un gramo de agua un grado.

1 cal = 4, 1855 J = 4,1855 · 10 (7) ergios

La energía que alcanza las capas altas de la atmósfera es de: 1, 99 cal / cm2*min y se denomina constante solar.

Se puede expresar en:

  • 1,99 ly/ min( 1 langley = 1 cal/cm2)
  • 139 mW/cm2  1 vatio = 1 J/s

En la zona visible 1W= 4, 15 micromoles de quanta/s = 4,15 microeinsteins/s

Cómo se distribuye la radiación que llega a la Tierra

Se puede calcular la cantidad de radiación que llega a la Tierra y eso se hace relacionándolo con el área de la esfera. La radiación que se emite por las zonas más polares es mayor que la que llega a ellas y al revés, esto es debido al efecto albedo que produce la nieve y el hielo presente en los casquetes polares. El efecto albedo es la reflexión de la luz que se produce como consecuencia del choque con la superficie terrestre.

El 30 % de la energía solar que llega se va con la reflexión directa, el 47% se convierte directamente en calor, y el 23% hace que funcione la maquinaria de las distintas corrientes fluidas y el 0,023 % interviene en la fotosíntesis.

Hay otras fuentes de energía que provienen del interior de la tierra como son los combustibles fósiles, la energía gravitatoria, térmica y nuclear.

La energía en su camino hacia la superficie terrestre puede ser re-emitida en forma de radiación infrarroja, calor latente, calor sensible y puede ser recuperada por regreso desde la troposfera. En su camino una pequeña parte es absorbida por el ozono estratosférico, otra mayor lo es por el vapor de agua en la troposfera, otra aún mayor es interceptada por las nubes de manera que la pueden reflejar, absorber o ser atravesadas. Tras atravesar estas capas, la energía que queda  prosigue hacia el suelo que antes de llegar se puede perder en en ser devuelta por retrodispersión, o por difusión que es la energía que es devuelta en la superficie.

El suelo absorbe 22 unidades por radiación directa y 25 por radiación difusa, otras 22 se quedan en la troposfera y 3 en la estratosfera y se devuelven 28.

Espectros de radiación solar y formas de medirla

El espectro es la distribución en las diferentes frecuencias de la radiación emitida por el sol. La Tierra recibe radiación de onda corta y la emite en forma de onda más larga (calor), parte de ella queda absorbida por el vapor de agua de la atmósfera.

El PAR (la radiación fotosintéticamente activa que decíamos antes) se mide mediante el ceptómetro, un aparato que permite una medida rápida de la luz que llega a un determinado lugar.

La radiación ultravioleta provoca la formación y destrucción del ozono sobre todo en la estratosfera:

O2 + hv ———–> O + O

O2 + O ————> O3 +O

O3 + hv ————> O + O2

O + O3 ————-> O2 + O2

La absorción de la radiación ultravioleta calienta la estratosfera.

El agua de la atmósfera en forma de vapor y gotitas en las nubes absorbe parte de la radiación a partir de los 800 nm.

La radiación infrarroja es muy absorbida por el dióxido de carbono.

El agua absorbe luz y en general todos los medios fluidos lo hacen por lo que la luz llega atenuada, por lo que en los océanos, lagos, ríos… la radiación se va perdiendo con la profundidad. Para medirlo se utiliza el disco de Secchi.

Perfiles de extinción de la luz: ley de Lambert-Beer

En condiciones favorables, sólo 3/4 partes de la radiación que llega a las partes altas de la atmósfera llega al nivel del mar.

La ley de extinción de Lambert-Beer:

Is = Io · e (-u·m)

donde Is es la intensidad en la superficie del suelo, Io es la intensidad en la superficie de la atmósfera, u es el coeficiente de extinción de la radiación atravesar la atmósfera verticalmente, m es la relación entre el espesor de la atmósfera si el sol está situado exactamente en la vertical de un punto de la Tierra y el espesor en el momento considerado.

Medio acuoso: Iz = Io· e (-u·z), donde z = profundidad

Bajo la cubierta vegetal: Iz = Io· e (-u·LAI), donde  LAI = es la cantidad de hojas totales y su relación con la superficie del suelo y se llama índice foliar.

Dependiendo de la intensidad del estrato se extinguirá o no la luz en un bosque. La cantidad de radiación fotosintéticamente activa no es muy alta y la eficiencia de la fotosíntesis no es alta (0,023%)

Los índices foliares están entre: 0 y 6: entre 0 y 6 metros cuadrados de hoja por metro cuadrado de suelo. Cuanto mayor es el LAI menor radiación lumínica podemos encontrar. Sí que hay una gran absorción que no sólo depende del tipo de luz sino también de la estructura de la propia planta.

Energía endostomática

La energía endostomática es la necesaria para el metabolismo, en el caso del hombre equivale a una bombilla de 120 w.

Los valores calóricos de la materia orgánica varían bastante: la rica en hidratos de carbono es de 4 Kcal/g más o menos y las grasas 9 Kcal/g.

Si se toman 4,5 Kcal/g en materia orgánica y se toma el 42 % como valor del contenido en carbono el equivalente es de 9,2 Kcal/g.

La producción media so 300 g/m2Caño. Y un 7,4 · 10 (17) kcal/año.

Energía exostomática

La energía exostomática es la energía que se usa y genera fuera de las actividades del metabolismo.

La energía exostomática en los ecosistemas acuáticos es la energía que se precisa para devolver a la superficie iluminada los nutrientes que tienden a perderse en profundidad (los nutrientes tienden a quedarse en el fondo y por tanto los temporales y las corrientes marinas son muy importantes para movilizar los nutrientes en los ciclos del carbono, nitrógeno, azúfre y fósforo). En los ecosistemas terrestres el viento incrementa las pérdidas de agua y favorece la absorción de dióxido de carbono al renovar el aire en contacto con las hojas.

En la especie humana se usa en iluminación, transporte, calefacción, refrigeración…

Las sociedades más desarrolladas tienen mayor energía exostomática que los menos desarrollados y es 100 veces la endostomática.

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