Il Sole come sorgente di energia

Parole chiave di questa unità Sole come sorgente di energia, costante solare, inclinazione dell'asse terrestre, stagioni, angolo della radiazione solare, distribuzione dell'energia

 

L'energia naturale sulla Terra
 

Quasi tutta l'energia che guida la vita, le condizioni meteorologiche, il clima e i processi naturali che avvengono sulla superficie della Terra deriva dal Sole. La vita sulla Terra non sarebbe possibile senza il Sole. E per vita non intendiamo solo quella da spiaggia!
 

Solo una piccolissima parte dell'energia che interessa il nostro ambiente proviene dalla parte interna liquida della Terra. Questa energia, che risale alla formazione del nostro pianeta è, ad esempio, quella delle pompe di calore geotermico. Durante le eruzioni vulcaniche questa energia si manifesta in maniera naturale. Il sistema climatico e i cambiamenti climatici indotti dall'uomo non influenzano i processi interni della Terra, né le eruzioni vulcaniche o i terremoti. Pertanto i cambiamenti climatici non possono essere ritenuti responsabili delle morti che avvengono a causa di un'eruzione vulcanica o di un terremoto.  

La radiazione dal Sole
 
Il Sole trasferisce la sua energia attraverso onde elettromagnetiche che noi chiamiamo comunemente "luce". Ma la luce non è solo quella parte di radiazione che possiamo vedere con i nostri occhi.
  

Infatti il Sole produce anche un tipo di energia più potente della luce visibile: i raggi UV. Troppi raggi UV danneggiano le cellule vegetali, animali e umane. Fortunatamente lo strato di ozono, posto ad un'altitudine di 15-40 km, assorbe quasi tutta la radiazione molto energetica e dannosa.
  

Il sole emette anche calore, ovvero radiazioni ad energia inferiore rispetto alla luce visibile, che noi chiamiamo luce infrarossa o raggi infrarossi. Noi la percepiamo sulla nostra pelle come calore, in modo simile alla radiazione invisibile emessa da un piatto caldo.

La radiazione solare viaggia attraverso lo spazio alla velocità incredibile di 300,000 km/s (velocità della luce) e percorre la distanza di 150 milioni di chilometri dal Sole alla Terra in circa 8 minuti.
  

Quantità di energia trasferita

La quantità di energia è misurata in Joule. Il Sole trasferisce ogni secondo una quantità di 1367 J su ogni metro quadro del diametro terrestre al top dell’atmosfera. Questo corrisponde a 1367 Watt [1 Watt = 1 Joule per secondo]. Questo valore è chiamato "costante solare".

Ma questa energia non raggiunge in modo continuativo ogni singolo metro quadro della superficie terrestre per due ragioni: 1) la geometria della Terra 2) l'influenza dell'atmosfera.
  

Per una spiegazione più dettagliata vedere anche l'esempio numero 3 nella seguente pagina:
http://www.atmosphere.mpg.de/enid/5pa.html

1) La Geometria della Terra: La Terra è una sfera che espone la sua superficie al Sole, non un disco. Perciò il sole non irradia la Terra verticalmente ma quasi sempre con un certa angolatura. Sul lato notturno della Terra non c'è alcuna irradiazione. La sezione circolare della sfera che è colpita verticalmente dal sole costituisce solo un quarto della sua superficie. Perciò solo 1/4 x 1367 Watt = 342 Watt per metro quadro raggiungono l'alta atmosfera.
 

Fig 5: i raggi solari paralleli alla Terra trasferiscono la stessa energia colpendo un area la cui dimensione dipende dall'angolo delle onde in arrivo. Anche la lunghezza del percorso attraverso l'atmosfera cambia e i raggi diventano più deboli man mano che tale percorso si allunga.
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2) La luce solare non può attraversare l'atmosfera e raggiungere la superficie della Terra senza subire cambiamenti. Le nuvole, il ghiaccio e le aree coperte dalla neve la riflettono. I gas e le polveri presente nell'aria assorbono energia e la re-immettono in tutte le direzioni, compreso lo spazio. Alla fine, la superficie terrestre assorbe solo circa 168 Watt su una media di 342 Watt. 

Quelli che provengono dall'interno della Terra sono solo circa 0.06 W/m² . Cioè 2000 volte meno rispetto a quelli provenienti del Sole.
 

La distribuzione dell'energia

Sappiamo che il clima vicino all'equatore è più caldo rispetto al Polo Nord e Polo Sud. Sappiamo anche che in estate è più caldo che in inverno. L'energia solare non è la stessa in tutto il Pianeta. Inoltre, essendo l'asse terrestre inclinato con un angolo di circa 23.3°, tale energia cambia anche con le stagioni. Possiamo visualizzare queste differenze in un "esperimento" con l'aiuto di un mappamondo.

Nella lista dei link sotto il tema "inclinazione della Terra e stagioni” possono trovare altre visualizzazioni.