Come misurare la quantità di energia solare che arriva sulla Terra

L’energia solare è una fonte rinnovabile che favorisce lo sviluppo di flora e fauna dando vita a quei processi biologici senza i quali la vita sulla Terra non potrebbe esistere.

Le radiazioni del sole raggiungono tutti i pianeti del sistema solare, compresa la terra, ma soltanto una parte di energia solare riesce ad essere effettivamente 14catturata ed assorbita.

Sebbene, infatti, i raggi del Sole si propaghino nello spazio, tuttavia raggiungono i corpi celesti, dunque anche il nostro Pianeta, in base all’angolo solido sotto cui il Sole intercetta ciascuno di essi.

Nel caso specifico della Terra, le radiazioni solari ne colpiscono la superficie in modo disomogeneo a causa non soltanto dell’angolo di incidenza dei raggi solari, ma anche dalle interazioni con l’atmosfera.

A sua volta l’angolo di incidenza può sensibilmente variare in rapporto all’inclinazione dell’asse terrestre rispetto all’orbita, con cui varia la posizione del Sole rispetto all’orizzonte, e in relazione al moto rotatorio della Terra intorno al proprio asse, da cui dipende l’alternarsi del giorno e della notte.

La quantità di energia solare che arriva sulla Terra sarà massima quando il sole sarà perpendicolare alla superficie terrestre, mentre si avrà una maggiore dispersione dei raggi solari nel momento in cui il Sole si troverà in una determinata inclinazione rispetto ad essa.

Per misurare con precisione la quantità di energia solare che arriva sulla Terra esiste uno strumento, chiamato piroeliometro, ecco di che cosa si tratta e come funziona.

Quanta energia solare arriva sulla Terra: misurare con il piroeliometro

Il piroeliometro è uno strumento utilizzato per misurare la componente diretta dell’irradianza solare attraverso un lungo tubo dotato di sensore di colore scuro al suo interno che ha il compito di assorbire la radiazione solare.

La luce solare, infatti, potrà oltrepassare lo strumento, che dovrà ovviamente sempre essere puntato verso il sole, per raggiungerne l’estremità opposta, dove la termocoppia ne assorbirà la tensione.

In relazione alla temperatura raggiunta in un determinato intervallo di tempo, il piroeliometro può essere efficacemente utilizzato per quantificare l’intensità dell’energia solare.

Tramite un’apposita formula è possibile, infatti, convertire la tensione accumulata dalla termocoppia in potenza solare diretta, espressa in W/mq.

A questa sarà possibile sommare la componente diffusa della radiazione solare posizionando una banda ombreggiante davanti al piroeliometro.

Prima di definire la formula esatta di calcolo con cui misurare la quantità di energia solare che arriva sulla Terra apriamo una piccola parentesi per comprendere meglio le varie componenti delle radiazioni solari.

Irradianza solare sulla Terra: le varie componenti per calcolarla

Le radiazioni solari che raggiungono la superficie terrestre possono distinguersi in tre tipologie: dirette, diffuse e riflesse.

Le prime due sono strettamente legate alle condizioni meteorologiche ma in generale i valori di radianza solare sul suolo terrestre possono essere condizionate dai seguenti elementi:

Distanza della Terra dal sole

La posizione variabile della Terra rispetto al sole nel corso dell’anno condiziona fortemente il calcolo dell’irradianza solare sulla superficie terrestre.

Tenendo conto del fatto che il nostro Pianeta si avvicina sensibilmente al sole nel mese di gennaio per allontanarsene maggiormente in luglio, per calcolare la quantità di energia solare che arriva sulla Terra sarà necessario tenere conto di una costante solare variabile in rapporto ai diversi periodi dell’anno.

Questo dato ammonterà ad un +3,5% nel mese di gennaio e scenderà a -3,3% a luglio, permettendo di ottenere un valore di 1414,7 W/m² nel caso dell’irradianza massima mentre l’irradianza minima misurerà. 1321,8 W/m².

Presenza dell’atmosfera

L’atmosfera terrestre funziona come un filtro i cui strati sono responsabili di ridurre la potenza dei raggi solari.

Per questo motivo, quando il Sole sarà allo Zenit, ossia perpendicolare rispetto alla superficie della Terra, in associazione a condizioni meteorologiche favorevoli ossia in assenza di nubi, la quantità di energia solare che arriva sulla Terra scenderà a circa 1000 W/m².

Nubi

Anche la presenza di fenomeni di nuvolosità diffusa contribuisce ad ostacolare, in percentuali variabili, l’irraggiamento solare diretto sulla Terra, facendo scendere l’intensità dell’irradianza solare tra i 50 e i 100 W/m².

Forma sferoidale della Terra

Se i precedenti fattori condizionano la misura della quantità di energia solare sulla Terra solamente nell’ipotetico caso in cui il Sole si trova in posizione perpendicolare rispetto ad essa, diverso è il caso in cui esso non si trovi allo zenit.

Quando il Sole non è in posizione perpendicolare rispetto alla superficie terrestre, infatti, la quantità di energia solare che arriva sulla Terra diminuisce tanto più i raggi solari si allontanano dalla verticale.

Pertanto, in considerazione della forma sferica della Terra e del fenomeno di rotazione che essa compie, in base a cui varia la posizione del Sole in base alle ore del giorno e dei luoghi geografici, possiamo affermare che l’irradianza solare su una superficie orizzontale è variabile da un istante all’altro e da stagione a stagione.

Alla luce delle considerazioni precedenti possiamo affermare che la radiazione solare sarà la somma di tre componenti, che abbiamo classificato come diretta, diffusa e riflessa, tradotto in formula avremo:

Itot = Idir + Idif + R

Oggi grazie ai satelliti che fotografano in modo efficace la superficie terrestre e ottengono innumerevoli misure di radianza, è possibile ottenere dati significativi sulla temperatura, l’umidità dell’atmosfera, oltre che sulla velocità del vento in base allo spostamento delle nubi.

La progettazione e la taratura nonché la scelta oculata degli strumenti di misurazione, associati ad una conoscenza della potenza ricavabile dal Sole, permettono di sfruttare efficacemente l’irradianza solare sulla Terra.