La sorgente primaria di
energia: il flusso di radiazione solare
L’energia può essere formalmente definita come la capacita’ di compiere un
lavoro, e può esistere nelle forme di calore, radiazione, energia potenziale,
cinetica, chimica, elettrica e magnetica. Molte trasformazioni d’energia da una
forma all’altra avvengono in atmosfera e in superficie. Indirettamente il sole
guida tutti i sistemi meteorologici e questi continuamente dissipano energia per
attrito in superficie. Si è stimato che, in assenza di radiazione solare,
l’energia dissipata si esaurirebbe quasi completamente dopo sei giorni.
Le leggi della radiazione (Kirchoff, Stefan-Boltzmann, Wien)
Ogni corpo con temperatura diversa dallo zero assoluto (-273°C) emette energia
nell’ambiente circostante sotto forma di radiazione elettromagnetica, viaggiante
alla velocita’ della luce, caratterizzata da una lunghezza d’onda compresa
nell’intervallo spettrale che va dai raggi X fino alle onde radio. Nel visibile
i valori di lunghezza d’onda sono tra 0.4 m e 0.74m (1m = 10-6 m).
Un corpo, avente la proprietà’ di assorbire tutta la radiazione incidente su di
esso, viene definito corpo nero; l'intensità’ della radiazione emessa da un
corpo nero e la sua distribuzione spettrale è funzione solo della sua
temperatura. I corpi neri perfetti in natura non esistono, ma possono essere
bene approssimati specialmente nell’intervallo dell’infrarosso.
Il corpo nero è un oggetto di riferimento teorico, di cui sono note con
precisione le relazioni di emissione e di assorbimento radiativo (legge di
Kirchoff, di Stefan-Boltzmannn, di Wien).
La legge di Kirchoff stabilisce che il rapporto tra l’energia emessa e quella
assorbita è solamente funzione della temperatura e della lunghezza d’onda e non
è dipendente dalla natura della materia radiante.
La legge di Stefan-Boltzmann definisce la relazione tra l’energia emessa (E) e
la temperatura (T). Nel caso di un corpo nero si ha:
E = T4
Dove è la costante di Stefan-Boltzmann. Un corpo che emette radiazione la cui
intensità è minore di quella del corpo nero, viene chiamato 'grigio'; in questo
caso la suddetta legge viene modificata introducendo il coefficiente di
emissività.
Un corpo nero non irradia la stessa quantità d’energia per tutte le lunghezze
d’onda ed ad ogni temperatura. La legge di Wien stabilisce che la lunghezza
d’onda corrispondente alla massima quantità d’energia è inversamente
proporzionale alla sua temperatura assoluta.
Radiazione solare ad onda corta
Si usa dividere lo spettro che interessa l’atmosfera in due regioni distinte:
radiazione solare (onda corta) e radiazione terrestre (onda lunga). Questo è
possibile poiché esiste una grande differenza termica tra la Terra ed il Sole.
Il Sole può’ essere considerato come un corpo nero alla temperatura di circa
6000 °K la cui distribuzione spettrale si trova tra 0.2 e 4m ed è massima nella
regione del visibile (lunghezza d’onda tra 0.4 e 0.7m); la radiazione emessa
dall’insieme terra-atmosfera si trova nell’intervallo 4-100m (T= 300°K).