Luz solar

Luz solar brilhando em dois lados diferentes do estado americano de Nova Jersey. Nascer do sol na costa de Jersey em Spring Lake, Monmouth County (acima), e pôr do sol na costa em Sunset Beach, Cape May County (abaixo). Ambos são filtrados através de nuvens estratos altas.

Luz Solar é uma porção da radiação eletromagnética emitida pelo Sol, em particular luz infravermelha, visível e ultravioleta. Na Terra, a luz solar é espalhada e filtrada pela atmosfera terrestre e é óbvia como a luz do dia quando o Sol está acima do horizonte. Quando a radiação solar direta não é bloqueada pelas nuvens, ela é sentida como luz do sol, uma combinação de luz brilhante e calor radiante (atmosférico). Quando bloqueada por nuvens ou refletida por outros objetos, a luz solar é difusa. Fontes estimam uma média global entre 164 watts e 340 watts por metro quadrado durante um dia de 24 horas; este número é estimado pela NASA em cerca de um quarto da irradiância solar total média da Terra.

A radiação ultravioleta da luz solar tem efeitos positivos e negativos para a saúde, pois é um requisito para a síntese da vitamina D3 e um agente mutagénico.

A luz solar leva cerca de 8,3 minutos para chegar à Terra a partir da superfície do Sol. Um fóton começando no centro do Sol e mudando de direção toda vez que encontra uma partícula carregada levaria entre 10.000 e 170.000 anos para chegar à superfície.

A luz solar é um fator chave na fotossíntese, o processo usado pelas plantas e outros organismos autotróficos para converter a energia luminosa, normalmente do Sol, em energia química que pode ser usada para sintetizar carboidratos e abastecer os organismos. Atividades.

A iluminação natural é a iluminação natural dos espaços interiores através da admissão da luz solar. Irradiância solar é a energia solar disponível a partir da luz solar.

Medição

Os pesquisadores podem medir a intensidade da luz solar usando um gravador de luz solar, um piranômetro ou um pireliômetro. Para calcular a quantidade de luz solar que atinge o solo, tanto a excentricidade da órbita elíptica da Terra como a atenuação pela atmosfera terrestre devem ser levadas em consideração. A iluminância solar extraterrestre (E_ext), corrigida para a órbita elíptica usando o número do dia do ano (dn), é dado com uma boa aproximação por

${displaystyle E_{rm {ext}}=E_{rm {sc}}cdot left(1+0.033412cdot cos left(2pi {frac {{rm {dn}}-3}{365}}right)right),}$

onde dn=1 em 1º de janeiro; dn=32 em 1º de fevereiro; dn=59 em 1º de março (exceto em anos bissextos, onde dn=60), etc. Nesta fórmula dn–3 é usado porque nos tempos modernos o periélio da Terra, a aproximação mais próxima do Sol e, portanto, o E_ext máximo ocorre por volta de 3 de janeiro de cada ano. O valor de 0,033412 é determinado sabendo que a razão entre o periélio (0,98328989 UA) ao quadrado e o afélio (1,01671033 UA) ao quadrado deve ser de aproximadamente 0,935338.

A constante de iluminância solar (E_sc) é igual a 128×10^{3 lux. A iluminância normal direta (E_dn), corrigida para os efeitos atenuantes da atmosfera é dada por:}

$O que é isso? {dn}}=E_{rm {ext}},e^{-cm},}$

onde c é a extinção atmosférica e m é a massa de ar óptica relativa. A extinção atmosférica reduz o número de lux para cerca de 100.000 lux.

A quantidade total de energia recebida do Sol no zênite ao nível do solo depende da distância ao Sol e, portanto, da época do ano. É cerca de 3,3% superior à média em Janeiro e 3,3% inferior em Julho (ver abaixo). Se a radiação solar extraterrestre for de 1.367 watts por metro quadrado (o valor quando a distância Terra-Sol é de 1 unidade astronômica), então a luz solar direta na superfície da Terra quando o Sol está no zênite é de cerca de 1.050 W/m ², mas a quantidade total (direta e indireta da atmosfera) que atinge o solo é de cerca de 1.120 W/m². Em termos de energia, a luz solar na superfície da Terra é cerca de 52 a 55 por cento infravermelha (acima de 700 nm), 42 a 43 por cento visível (400 a 700 nm) e 3 a 5 por cento ultravioleta (abaixo de 400 nm). No topo da atmosfera, a luz solar é cerca de 30% mais intensa, tendo cerca de 8% de ultravioleta (UV), com a maior parte do UV extra consistindo em ultravioleta de ondas curtas biologicamente prejudiciais.

Luz solar direta tem uma eficácia luminosa de cerca de 93 lúmens por watt de fluxo radiante. Isto é superior à eficácia (da fonte) da iluminação artificial que não seja LED, o que significa que a utilização da luz solar para iluminação aquece menos uma divisão do que a iluminação fluorescente ou incandescente. Multiplicar o valor de 1.050 watts por metro quadrado por 93 lúmens por watt indica que a luz solar intensa fornece uma iluminância de aproximadamente 98.000 lux (lúmens por metro quadrado) em uma superfície perpendicular ao nível do mar. A iluminação de uma superfície horizontal será consideravelmente menor se o Sol não estiver muito alto no céu. Em média ao longo de um dia, a maior quantidade de luz solar em uma superfície horizontal ocorre em janeiro no Pólo Sul (ver insolação).

Dividir a irradiância de 1.050 W/m² pelo tamanho do disco solar em esterradianos resulta em uma radiância média de 15,4 MW por metro quadrado por esterradiano. (No entanto, a radiância no centro do disco solar é um pouco maior do que a média de todo o disco devido ao escurecimento dos membros.) Multiplicar isso por π fornece um limite superior para a irradiância que pode ser focada em uma superfície. usando espelhos: 48,5 MW/m².

Composição e poder

O espectro da radiação solar do Sol pode ser comparado ao de um corpo negro com temperatura de cerca de 5.800 K (ver gráfico). O Sol emite radiação EM na maior parte do espectro eletromagnético. Embora a radiação criada no núcleo solar consista principalmente em raios X, a absorção interna e a termalização convertem esses fótons de energia superalta em fótons de energia mais baixa antes de atingirem a superfície do Sol e serem emitidos para o espaço. Como resultado, a fotosfera do Sol não emite muita radiação X (raios X solares), embora emita tais "radiações fortes" como raios X e até raios gama durante explosões solares. O Sol silencioso (sem brilho), incluindo a sua coroa, emite uma ampla gama de comprimentos de onda: raios X, ultravioleta, luz visível, infravermelho e ondas de rádio. Diferentes profundidades na fotosfera têm temperaturas diferentes, e isso explica parcialmente os desvios do espectro do corpo negro.

Há também um fluxo de raios gama provenientes do sol inativo, obedecendo a uma lei de potência entre 0,5 e 2,6 TeV. Alguns raios gama são causados por raios cósmicos interagindo com a atmosfera solar, mas isto não explica estas descobertas.

A única assinatura direta dos processos nucleares no núcleo do Sol é através dos neutrinos que interagem muito fracamente.

Embora a coroa solar seja uma fonte de extrema radiação ultravioleta e de raios X, estes raios representam apenas uma pequena quantidade da energia produzida pelo Sol (ver espectro à direita). O espectro de quase toda a radiação eletromagnética solar que atinge a atmosfera da Terra abrange uma faixa de 100 nm a cerca de 1 mm (1.000.000 nm). Esta banda de potência de radiação significativa pode ser dividida em cinco regiões em ordem crescente de comprimentos de onda:

• Ultravioleta C ou (UVC) intervalo, que abrange uma gama de 100 a 280 nm. O termo ultravioleta refere-se ao fato de que a radiação está em maior frequência do que a luz violeta (e, portanto, também invisível ao olho humano). Devido à absorção pela atmosfera muito pouco atinge a superfície da Terra. Este espectro de radiação tem propriedades germicidas, como usado em lâmpadas germicidas.
• Ultravioleta B ou (UVB) intervalo abrange 280 a 315 nm. Também é muito absorvido pela atmosfera da Terra, e juntamente com UVC provoca a reação fotoquímica que leva à produção da camada de ozônio. Ele danifica diretamente o DNA e causa queimaduras solares. Além deste efeito de curto prazo aumenta o envelhecimento da pele e promove significativamente o desenvolvimento do câncer de pele, mas também é necessário para a síntese de vitamina D na pele de mamíferos.
• Ultravioleta A ou (UVA) abrange 315 a 400 nm. Esta banda foi uma vez realizada para ser menos prejudicial ao DNA, e, portanto, é usado em bronzeamento artificial do sol cosmético (cabinas de bronzeamento e camas de bronzeamento) e terapia PUVA para psoríase. No entanto, a UVA é agora conhecida por causar danos significativos ao DNA através de rotas indiretas (formação de radicais livres e espécies reativas de oxigênio), e pode causar câncer.
• Gama visível ou luz 380 a 700 nm. Como o nome sugere, este intervalo é visível a olho nu. É também a faixa de saída mais forte do espectro total de irradiação do Sol.
• Infravermelho faixa que abrange 700 nm a 1.000.000 nm (1 mm). Compreende uma parte importante da radiação eletromagnética que atinge a Terra. Os cientistas dividem a faixa infravermelha em três tipos com base no comprimento de onda:
  • Infravermelho-A: 700 nm a 1.400 nm
  • Infravermelho-B: 1.400 nm a 3.000 nm
  • Infravermelho-C: 3.000 nm a 1 mm.

Tabelas publicadas

Tabelas de radiação solar direta em várias encostas de 0 a 60 graus de latitude norte, em calorias por centímetro quadrado, emitidas em 1972 e publicadas pela Pacific Northwest Forest and Range Experiment Station, Forest Service, U.S. Department of Agriculture, Portland, Oregon, EUA, aparecem na web.

Intensidade no Sistema Solar

Diferentes corpos do Sistema Solar recebem luz com uma intensidade inversamente proporcional ao quadrado da sua distância ao Sol.

Uma tabela que compara a quantidade de radiação solar recebida por cada planeta do Sistema Solar no topo de sua atmosfera:

O brilho real da luz solar que seria observado na superfície também depende da presença e composição de uma atmosfera. Por exemplo, a espessa atmosfera de Vênus reflete mais de 60% da luz solar que recebe. A iluminação real da superfície é de cerca de 14.000 lux, comparável à da Terra "durante o dia com nuvens nubladas".

A luz solar em Marte seria mais ou menos como a luz do dia na Terra durante um dia ligeiramente nublado e, como pode ser visto nas imagens tiradas pelos rovers, há radiação difusa no céu suficiente para que as sombras não pareçam particularmente escuras. Assim, daria percepções e "sentimentos" muito parecido com a luz do dia na Terra. O espectro na superfície é ligeiramente mais vermelho do que o da Terra, devido à dispersão da poeira avermelhada na atmosfera marciana.

Para efeito de comparação, a luz solar em Saturno é ligeiramente mais brilhante do que a luz solar da Terra no pôr do sol ou nascer do sol médio. Mesmo em Plutão, a luz do sol ainda seria brilhante o suficiente para quase corresponder à de uma sala de estar comum. Para ver a luz solar tão fraca quanto a lua cheia na Terra, é necessária uma distância de cerca de 500 UA (~69 horas-luz); foram descobertos apenas alguns objetos no Sistema Solar que orbitam além dessa distância, entre eles 90377 Sedna e (87269) 2000 OO67.

Variações na irradiância solar

Variação sazonal e orbital

Na Terra, a radiação solar varia com o ângulo do Sol acima do horizonte, com maior duração da luz solar em altas latitudes durante o verão, variando até nenhuma luz solar no inverno perto do pólo pertinente. Quando a radiação direta não é bloqueada pelas nuvens, ela é sentida como luz do sol. O aquecimento do solo (e de outros objetos) depende da absorção da radiação eletromagnética na forma de calor.

A quantidade de radiação interceptada por um corpo planetário varia inversamente com o quadrado da distância entre a estrela e o planeta. A órbita e a obliquidade da Terra mudam com o tempo (ao longo de milhares de anos), às vezes formando um círculo quase perfeito, e outras vezes estendendo-se até uma excentricidade orbital de 5% (atualmente 1,67%). À medida que a excentricidade orbital muda, a distância média do Sol (o semieixo maior não varia significativamente e, portanto, a insolação total ao longo de um ano permanece quase constante devido à segunda lei de Kepler,

$(2A}{r^{2}}}dt=dtheta}$

Onde? $Não. A.$ é a "velocidade real" invariante. Ou seja, a integração sobre o período orbital (também invariante) é uma constante.

${displaystyle int _{0}^{T}{tfrac {2A}{r^{2}}}dt=int _{0}^{2pi }dtheta =mathrm {constant}.}$

Se assumirmos a potência de radiação solar P como uma constante ao longo do tempo e a irradiação solar dada pela lei do inverso do quadrado, obtemos também a insolação média como constante. No entanto, a distribuição sazonal e latitudinal e a intensidade da radiação solar recebida na superfície da Terra variam. O efeito do ângulo do Sol no clima resulta na mudança da energia solar no verão e no inverno. Por exemplo, em latitudes de 65 graus, isso pode variar em mais de 25% como resultado da variação orbital da Terra. Dado que as alterações no Inverno e no Verão tendem a compensar, a alteração na insolação média anual em qualquer local é próxima de zero, mas a redistribuição da energia entre o Verão e o Inverno afecta fortemente a intensidade dos ciclos sazonais. Tais mudanças associadas à redistribuição da energia solar são consideradas uma causa provável para o ir e vir das eras glaciais recentes (ver: ciclos de Milankovitch).

Variação da intensidade solar

As observações espaciais da irradiância solar começaram em 1978. Estas medições mostram que a constante solar não é constante. Varia em muitas escalas de tempo, incluindo o ciclo solar de manchas solares de 11 anos. Ao voltar no tempo, é preciso confiar em reconstruções de irradiância, usando manchas solares dos últimos 400 anos ou radionuclídeos cosmogênicos para retroceder 10.000 anos. Essas reconstruções foram feitas. Esses estudos mostram que além da variação da irradiância solar com o ciclo solar (o ciclo (Schwabe)), a atividade solar varia com ciclos mais longos, como os propostos 88 anos (ciclo Gleisberg), 208 anos (ciclo DeVries) e 1.000 anos. ano (ciclo de redemoinho).

Irradiância solar

Constante solar

A constante solar é uma medida da densidade de fluxo, é a quantidade de radiação eletromagnética solar incidente por unidade de área que seria incidente em um plano perpendicular aos raios, a uma distância de uma unidade astronômica. (AU) (aproximadamente a distância média do Sol à Terra). A "constante solar" inclui todos os tipos de radiação solar, não apenas a luz visível. Seu valor médio foi estimado em aproximadamente 1.366 W/m², variando ligeiramente com a atividade solar, mas recalibrações recentes das observações de satélite relevantes indicam um valor mais próximo de 1.361 W/m^{2 é mais realista.}

Irradiância solar total (TSI) e irradiância solar espectral (SSI) na Terra

Desde 1978, uma série de experimentos sobrepostos de satélites da NASA e da ESA mediram a irradiância solar total (TSI) – a quantidade de radiação solar recebida no topo da atmosfera da Terra – como 1.365 quilo⁠watts. por metro quadrado (kW/m²). As observações do TSI continuam com os experimentos dos satélites ACRIMSAT/ACRIM3, SOHO/VIRGO e SORCE/TIM. As observações revelaram variações do TSI em muitas escalas de tempo, incluindo o ciclo magnético solar e muitos ciclos periódicos mais curtos. O TSI fornece a energia que impulsiona o clima da Terra, pelo que a continuação da base de dados de séries temporais do TSI é fundamental para compreender o papel da variabilidade solar nas alterações climáticas.

Desde 2003, o Monitor de Irradiância Espectral (SIM) SORCE monitora a Irradiância solar espectral (SSI) – a distribuição espectral do TSI. Os dados indicam que o SSI no comprimento de onda UV (ultravioleta) corresponde de uma forma menos clara, e provavelmente mais complicada, às respostas climáticas da Terra do que se supunha anteriormente, alimentando amplas avenidas de novas pesquisas na “conexão do Sol”. e estratosfera, troposfera, biosfera, oceano e clima da Terra.

Iluminação de superfície e espectro

O espectro de iluminação da superfície depende da elevação solar devido aos efeitos atmosféricos, com o componente espectral azul dominando durante o crepúsculo antes e depois do nascer e pôr do sol, respectivamente, e o vermelho dominando durante o nascer e o pôr do sol. Esses efeitos são aparentes na fotografia com luz natural, onde a principal fonte de iluminação é a luz solar mediada pela atmosfera.

Embora a cor do céu seja geralmente determinada pelo espalhamento Rayleigh, uma exceção ocorre no pôr do sol e no crepúsculo. “A absorção preferencial da luz solar pelo ozônio ao longo de longos caminhos no horizonte dá ao céu zenital seu azul quando o sol está próximo do horizonte”.

Veja a radiação difusa do céu para mais detalhes.

Composição espectral da luz solar na superfície da Terra

Pode-se dizer que o Sol ilumina, o que é uma medida da luz dentro de uma faixa de sensibilidade específica. Muitos animais (incluindo humanos) têm uma faixa de sensibilidade de aproximadamente 400–700 nm e, dadas as condições ideais, a absorção e a dispersão pela atmosfera da Terra produzem uma iluminação que se aproxima de um iluminante de energia igual para a maior parte dessa faixa. A faixa útil para visão de cores em humanos, por exemplo, é de aproximadamente 450–650 nm. Além dos efeitos que surgem ao pôr do sol e ao nascer do sol, a composição espectral muda principalmente em relação à forma como a luz solar é capaz de iluminar diretamente. Quando a iluminação é indireta, o espalhamento Rayleigh na alta atmosfera fará com que os comprimentos de onda azuis dominem. O vapor de água na baixa atmosfera produz maior dispersão e o ozônio, poeira e partículas de água também absorvem comprimentos de onda específicos.

Vida na Terra

A existência de quase toda a vida na Terra é alimentada pela luz do Sol. A maioria dos autótrofos, como as plantas, utiliza a energia da luz solar, combinada com dióxido de carbono e água, para produzir açúcares simples – um processo conhecido como fotossíntese. Esses açúcares são então usados como blocos de construção e em outras vias sintéticas que permitem o crescimento do organismo.

Os heterótrofos, como os animais, usam a luz do Sol indiretamente, consumindo os produtos dos autotróficos, seja consumindo autotróficos, consumindo seus produtos ou consumindo outros heterótrofos. Os açúcares e outros componentes moleculares produzidos pelos autotróficos são então decompostos, liberando a energia solar armazenada e dando aos heterótrofos a energia necessária para a sobrevivência. Este processo é conhecido como respiração celular.

Na pré-história, os humanos começaram a ampliar ainda mais esse processo, dando outros usos a materiais vegetais e animais. Eles usavam peles de animais para se aquecer, por exemplo, ou armas de madeira para caçar. Essas habilidades permitiram aos humanos colher mais luz solar do que era possível apenas através da glicólise, e a população humana começou a crescer.

Durante a Revolução Neolítica, a domesticação de plantas e animais aumentou ainda mais o acesso humano à energia solar. Os campos dedicados às culturas foram enriquecidos com matéria vegetal não comestível, fornecendo açúcares e nutrientes para colheitas futuras. Os animais que antes forneciam aos humanos apenas carne e ferramentas depois de mortos eram agora usados para trabalho durante toda a vida, alimentados por gramíneas não comestíveis para os humanos. Os combustíveis fósseis são restos de matéria vegetal e animal antiga, formados a partir da energia da luz solar e depois presos na Terra durante milhões de anos.

Aspectos culturais

O efeito da luz solar é relevante para a pintura, evidenciado, por exemplo, nas obras de Édouard Manet e Claude Monet em cenas exteriores e paisagens.

Muitas pessoas acham que a luz solar direta é muito brilhante para o conforto; na verdade, olhar diretamente para o Sol pode causar danos à visão a longo prazo. Para compensar o brilho da luz solar, muitas pessoas usam óculos escuros. Carros, muitos capacetes e bonés são equipados com viseiras para bloquear a visão direta do Sol quando o Sol está em um ângulo baixo. A luz do sol é frequentemente impedida de entrar nos edifícios através do uso de paredes, persianas, toldos, persianas, cortinas ou árvores de sombra próximas. A exposição à luz solar é biologicamente necessária para a produção de vitamina D na pele, um composto vital necessário para formar ossos e músculos fortes no corpo.

Em muitas religiões mundiais, como o hinduísmo, o Sol é considerado um deus, pois é a fonte da vida e da energia na Terra. O Sol também era considerado um deus no Antigo Egito.

Tomar sol

O banho de sol é uma atividade de lazer popular em que uma pessoa fica sentada ou deitada sob a luz direta do sol. As pessoas costumam tomar sol em locais confortáveis, onde há bastante luz solar. Alguns locais comuns para banhos de sol incluem praias, piscinas ao ar livre, parques, jardins e cafés nas calçadas. Os banhistas normalmente usam quantidades limitadas de roupas ou alguns simplesmente ficam nus. Para alguns, uma alternativa ao banho de sol é a utilização de uma espreguiçadeira que gera luz ultravioleta e pode ser utilizada em ambientes fechados, independentemente das condições climáticas. As camas de bronzeamento artificial foram proibidas em vários estados do mundo.

Para muitas pessoas com pele clara, um dos propósitos do banho de sol é escurecer a cor da pele (obter um bronzeado), pois isso é considerado atraente em algumas culturas, associado a atividades ao ar livre, férias/feriados, e saúde. Algumas pessoas preferem tomar banho de sol nuas para que uma visão "totalizada" ou "mesmo" o bronzeado pode ser obtido, às vezes como parte de um estilo de vida específico.

A helioterapia controlada, ou banho de sol, tem sido usada como tratamento para psoríase e outras doenças.

O bronzeamento da pele é obtido por um aumento do pigmento escuro dentro das células da pele, chamados melanócitos, e é um mecanismo de resposta automática do corpo à exposição suficiente à radiação ultravioleta do Sol ou de lâmpadas solares artificiais. Assim, o bronzeado desaparece gradativamente com o tempo, quando a pessoa não está mais exposta a essas fontes.

Efeitos na saúde humana

A radiação ultravioleta da luz solar tem efeitos positivos e negativos para a saúde, pois é a principal fonte de vitamina D3 e um agente mutagénico. Um suplemento dietético pode fornecer vitamina D sem este efeito mutagénico, mas contorna os mecanismos naturais que impediriam overdoses de vitamina D geradas internamente pela luz solar. A vitamina D tem uma ampla gama de efeitos positivos para a saúde, que incluem o fortalecimento dos ossos e possivelmente a inibição do crescimento de alguns tipos de câncer. A exposição solar também tem sido associada ao momento da síntese de melatonina, à manutenção dos ritmos circadianos normais e à redução do risco de transtorno afetivo sazonal.

Sabe-se que a exposição prolongada à luz solar está associada ao desenvolvimento de câncer de pele, envelhecimento da pele, supressão imunológica e doenças oculares, como catarata e degeneração macular. A superexposição de curto prazo é a causa de queimaduras solares, cegueira pela neve e retinopatia solar.

Os raios UV e, portanto, a luz solar e as lâmpadas solares, são os únicos carcinógenos listados que são conhecidos por trazerem benefícios à saúde, e diversas organizações de saúde pública afirmam que é necessário haver um equilíbrio entre os riscos de ter muita luz solar ou muita luz solar. pequeno. Existe um consenso geral de que as queimaduras solares devem sempre ser evitadas.

Dados epidemiológicos mostram que as pessoas que têm mais exposição à luz solar têm menos hipertensão arterial e mortalidade cardiovascular. Embora a luz solar (e os seus raios UV) sejam um factor de risco para o cancro da pele, “evitar o sol pode ter mais custos do que benefícios para uma boa saúde geral”. Um estudo descobriu que não há evidências de que os raios UV reduzam a expectativa de vida, em contraste com outros fatores de risco, como tabagismo, álcool e pressão alta.

Efeito nos genomas das plantas

Doses elevadas de UV-B solar aumentam a frequência de recombinação de DNA em plantas de Arabidopsis thaliana e de tabaco (Nicotiana tabacum). Estes aumentos são acompanhados por uma forte indução de uma enzima com um papel fundamental na reparação recombinatória de danos no ADN. Assim, o nível de radiação UV-B solar terrestre provavelmente afeta a estabilidade do genoma nas plantas.