Soarele și Pământul
SOAREA ȘI PĂMÂNTUL
Unele surse foarte puternice de energie radiantă sunt stelele. Cu toate acestea, având în vedere distanța lor enormă și, din moment ce radiația pe care o degajă este atenuată pe măsură ce se răspândește progresiv pe o suprafață sferică din ce în ce mai mare pe măsură ce se răspândește prin spațiu, efectele pe care le produc pe Pământ sunt foarte mici.
Cu toate acestea, unul dintre ei, Soarele, datorită apropierii sale, este capabil să ne livreze o cantitate atât de mare de energie radiantă încât a stabilit condițiile fizice care au predominat pe planetă de la formarea sa, inclusiv cele care definesc ceea ce știm. ca viata.
Ne interesează aspectele cantitative ale energiei Soarelui, fără a intra într-o descriere profundă a transformărilor fizico-chimice pe care le suferă odată ce afectează suprafața pământului.
1.- Date numerice
Soarele este o stea destul de obișnuită, cu singura particularitate că se găsește doar la o distanță de aproximativ 150 de milioane de kilometri de Pământ. Radiația pe care o emite durează puțin peste 8 minute pentru a ajunge la planeta noastră, cu o rată de aproximativ 300.000 km/s. Diametrul său este de aproximativ 1.400.000 km și masa sa este echivalentă cu cea a aproximativ 300.000 de planete egale cu Pământul.
La fel ca toate stelele, Soarele este un gigantic cuptor nuclear în care masa este transformată continuu în energie radiantă, calculând în mai mult de 5.000 de milioane de ani timpul care va trece până când va fi complet stins.
Din această cantitate enormă de energie radiantă, doar o mică parte ajunge pe planeta noastră, deși reprezintă o cantitate foarte mare în comparație cu energia de care avem nevoie pentru a ne menține civilizația tehnologică. Problema nu este cantitatea totală de energie disponibilă, ci dificultățile de utilizare a acesteia, deoarece este dispersată, răspândindu-se pe întreaga suprafață a pământului și a oceanelor. În medie, cantitatea de energie care ajunge în atmosfera noastră exterioară este echivalentă cu o putere de 1,4 kW pe mІ, o cantitate care se reduce la aproximativ 1 kW atunci când trece prin atmosferă și ajunge la sol.
Temperatura efectivă a suprafeței Soarelui este de aproximativ 5.600 єC. Aceste date sunt importante deoarece caracteristicile radiației emise de un corp sunt în funcție de temperatura suprafeței sale. Temperatura de 5.600 єC este mai mare decât temperatura realizabilă în mod normal în procesele industriale normale pe care omul le poate produce artificial. Prin urmare, caracteristicile radiației solare sunt semnificativ diferite de cele ale altor surse de radiații artificiale.
Radiația solară este formată dintr-un amestec de unde electromagnetice de diferite frecvențe, unele dintre ele (cele a căror „lungime de undă” este cuprinsă între 0,4 și 0,7 µm) pot fi detectate de ochiul uman, constituind ceea ce noi cunoaștem ca lumină vizibilă. Alții, deși nu sunt vizibili, își fac și efectele vizibile, transferând energia pe care o transportă către corpuri.
2.- Poziția Pământului față de Soare
Chiar mai important decât cantitatea absolută de energie primită este înclinația cu care undele de radiație (adică razele soarelui) lovesc o suprafață, deoarece acest lucru va face ca energia să se răspândească pe o zonă mai mult sau mai puțin extinsă, scăzând sau crescând intensitatea acesteia.
Datorită înclinației axei de rotație a Pământului față de planul orbitei sale în jurul Soarelui și a formei sale sferice, același punct de pe suprafața Pământului primește raze cu o înclinație diferită, în funcție de perioada anului și, prin urmare, energia efectivă care afectează un metru pătrat de suprafață orizontală variază considerabil.
Iarna, razele soarelui cad cu un unghi mic față de orizontală, opusul celei din vară, când unghiul este mult mai mare, ajungând la perpendiculară în zonele din apropierea Ecuatorului și în momentele centrale ale zilei. Din acest motiv, energia incidentă totală este mult mai mare vara decât iarna și, dacă luăm în considerare energia incidentă într-o anumită perioadă de timp - de exemplu, o oră - este, de asemenea, mult mai mare în orele centrale ale zilei ( în jurul prânzului) care în orele din jurul răsăritului sau al apusului.
Deși știm cu toții că Pământul se învârte în jurul Soarelui și nu invers, în scopuri practice este încă util și conduce la aceleași rezultate, să presupunem că Soarele este cel care se învârte în jurul planetei noastre, descriind un orbită aproximativ circulară (descrie de fapt o elipsă foarte superficială).
Cu acest model fictiv, Soarele se comportă ca un luminar care se ridică în fiecare zi dinspre Est și spre Vest, descriind un arc mai mult sau mai puțin larg pe cer, în funcție de perioada anului.
Primăvara și vara arcul căii solare este mai mare, Soarele răsare mai sus deasupra orizontului și rămâne strălucind pe cer mai mult timp. Dimpotrivă, iarna, punctele de la orizont în care se ridică și se așază sunt mai apropiate unele de altele, calea este mai scurtă și mai puțin înălțată, iar timpul (durata zilei solare) care trece între răsărit și apus este mult mai mic.
În mod logic, cu cât durata zilei solare este mai mare, cu atât mai multă energie poate fi colectată pe tot parcursul zilei. În plus, un alt factor chiar mai important decât lungimea zilei este faptul că, cu cât traseul solar este mai mic, cu atât razele vor atinge un unghi mai mic față de solul orizontal și, așa cum s-a spus, intensitatea va fi mai mică., prin nevoia de a distribui energia într-o zonă mai mare.
Un alt factor care determină cantitatea mai mică sau mai mare de energie care ajunge la suprafață este gradul de tulbure din zonă. Norii absorb cea mai mare parte a energiei solare, reflectând-o de sus și readucând-o în spațiu. Într-o zi înnorată tipică, energia care reușește să treacă prin stratul de nori este doar o mică parte din cea care ar ajunge la suprafață dacă cerul ar fi senin, fiind în general insuficient pentru sistemele de utilizare a energiei solare (cu posibilul cu excepția celor bazate pe asupra efectului fotovoltaic) poate fi operațional.
Condițiile climatice ale unei regiuni date sunt, prin urmare, cel mai important factor atunci când se evaluează posibilitățile practice ale unei instalații solare. Dacă clima este abundent tulbure, șansele de a face sistemul profitabil vor fi slabe.
Temperatura medie a aerului și viteza vântului influențează și ele, deși într-o măsură mai mică decât acoperirea norilor, în special în colectoarele plate destinate încălzirii apei, deoarece dacă temperatura menționată este prea scăzută sau vântul predominant este puternic, colectorul va tinde să piardă rapid căldură produsă de radiația solară, ceea ce face dificilă transmiterea către apa pe care dorim să o încălzim.