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Luz solar

radiação emitida pelo Sol na região visível do espectro eletromagnético
 Nota: Para a telenovela brasileira, veja Luz do Sol.
Luz solar
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A Luz solar é uma parte da radiação eletromagnética emitida pelo Sol, em particular a luz infravermelha, visível e ultravioleta. Na Terra, a luz solar é espalhada e filtrada através da atmosfera terrestre como luz do dia quando o Sol está acima do horizonte. Quando a radiação solar direta não é bloqueada por nuvens, ela é experimentada como luz solar, uma combinação de luz brilhante e calor radiante (Atmosférico). Quando bloqueada por nuvens ou refletida em outros objetos, a luz solar é difundida. Fontes estimam uma média global entre 164 watts e 340 watts por metro quadrado em um dia de 24 horas; este número é estimado pela NASA como sendo cerca de um quarto da irradiação solar total média da Terra.[1][2]

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

A luz solar leva cerca de 8,3 minutos para chegar à Terra a partir da superfície do Sol.[3] 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.[4]

A luz solar é um fator-chave na fotossíntese, o processo usado por plantas e outros organismos autotróficos para converter a energia luminosa, normalmente do Sol, em energia química que pode ser usada para sintetizar carboidratos e alimentar as atividades dos organismos.

A iluminação natural é a iluminação natural dos espaços interiores, admitindo a luz solar. A irradiação solar é a energia solar disponível a partir da luz solar.

Medição

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Pesquisadores podem medir a intensidade da luz solar usando um registrador de brilho solar, um piranômetro ou um pirheliômetro. Para calcular a quantidade de luz solar que alcança o solo, tanto a excentricidade da órbita elíptica da Terra quanto a atenuação pela atmosfera terrestre devem ser levadas em conta. A iluminância solar extraterrestre (Eext), corrigida pela órbita elíptica usando o número do dia do ano (dn), é dada, aproximadamente, por[5] :  onde dn=1 em 1 de janeiro; dn=32 em 1 de fevereiro; dn=59 em 1 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 abordagem mais próxima ao Sol e, portanto, o máximo Eext, ocorre por volta de 3 de janeiro a 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 aproximadamente 0,935338.

A constante de iluminância solar (Esc) é igual a 128×103 lux. A iluminância normal direta (Edn), corrigida para os efeitos de atenuação da atmosfera, é dada por: :  onde c é a extinção atmosférica e m é a massa óptica relativa. A extinção atmosférica reduz o número de lux para cerca de 100 000 lux.

A quantidade total de energia recebida no nível do solo do Sol no zênite depende da distância até o Sol e, portanto, da época do ano. É cerca de 3,3% maior que a média em janeiro e 3,3% menor em julho (veja 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 terrestre quando o Sol está no zênite é cerca de 1.050 W/m2, mas a quantidade total (direta e indireta da atmosfera) que atinge o solo é em torno de 1 120 W/m2.[6] Em termos de energia, a luz solar na superfície terrestre é de cerca de 52 a 55 por cento infravermelho (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).[7] No topo da atmosfera, a luz solar é cerca de 30% mais intensa, tendo cerca de 8% de ultravioleta (UV),[8] com a maior parte do UV extra consistindo em ultravioleta de onda curta biologicamente danoso.[9]

Luz solar direta tem uma eficácia luminosa de cerca de 93 lúmens por watt de fluxo radiante. Isso é maior do que a eficácia (da fonte) de iluminação artificial que não sejam LEDs, o que significa que usar luz solar para iluminação aquece menos um ambiente do que a iluminação fluorescente ou incandescente. Multiplicando a figura de 1 050 watts por metro quadrado por 93 lúmens por watt indica que a luz solar brilhante 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 do que isso se o Sol não estiver muito alto no céu. Em média ao longo do dia, a maior quantidade de luz solar em uma superfície horizontal ocorre em janeiro no Polo Sul (veja insolação).

Dividindo a irradiância de 1 050 W/m2 pelo tamanho do disco solar em esteradianos dá uma radiância média de 15,4 MW por metro quadrado por esteradiano. (No entanto, a radiância no centro do disco solar é um pouco maior do que a média sobre todo o disco devido ao escurecimento do limbo.) Multiplicando isso por π dá um limite superior para a irradiância que pode ser focada em uma superfície usando espelhos: 48,5 MW/m2.[10]

Composição e potência

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Espectro solar comparado ao corpo negro em 5775 K
Ver também: Ultravioleta, Infravermelho e Luz

O espectro da radiação solar do Sol pode ser comparado com o de um corpo negro[11][12] com uma temperatura de cerca de 5 800 K[13] (veja o gráfico). O Sol emite radiação eletromagnética em grande parte do espectro eletromagnético. Embora a radiação criada no núcleo solar consista principalmente de raio X, a absorção interna e a termalização convertem esses fótons de superalta energia em fótons de menor energia antes de atingirem a superfície do Sol e serem emitidos para o espaço. Como resultado, a fotosfera do Sol não emite muitos raios X (raios X solares), embora emita "radiações duras" como raios X e até mesmo raios gama durante fulgor solars.[14] O Sol calmo (não em erupção), incluindo sua coroa, emite uma ampla gama de comprimentos de onda: raios X, ultravioleta, luz visível, infravermelho e ondas de rádio.[15] Diferentes profundidades na fotosfera têm diferentes temperaturas, e isso explica parcialmente as divergências de um espectro de corpo negro.[16]

Também há um fluxo de raios gama do Sol tranquilo, obedecendo a uma lei de potência entre 0,5 e 2,6 TeV. Alguns raios gama são causados pela interação dos raios cósmicos com a atmosfera solar, mas isso não explica essas descobertas.[17][18][19]

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

 
Irradiação espectral solar (watts por metro quadrado por nanômetro) acima da atmosfera (amarelo) e na superfície (vermelho). Os raios ultravioleta extremos e os raios X são produzidos (à esquerda do intervalo de comprimento de onda), mas compreendem quantidades muito pequenas da potência total de saída do Sol (área sob a curva)

Embora a coroa solar seja uma fonte de radiação ultravioleta extrema e raios X, esses raios compõem apenas uma quantidade muito pequena da potência de saída do Sol (veja o espectro à direita). O espectro de quase toda a radiação eletromagnética solar que atinge a atmosfera terrestre abrange uma faixa de 100 nm a cerca de 1 mm (1 000 000 nm). Esta faixa de radiação significativa pode ser dividida em cinco regiões em ordem crescente de comprimentos de onda:[20]

Ultravioleta C ou (UVC), que abrange uma faixa de 100 a 280 nm. O termo ultravioleta refere-se ao fato de que a radiação está em uma frequência mais alta do que a luz violeta (e, portanto, também invisível para o olho humano). Devido à absorção pela atmosfera, muito pouco alcança a superfície da Terra. Este espectro de radiação possui propriedades germicidas, como usado em lâmpada germicidas.

Ultravioleta B ou (UVB) abrange de 280 a 315 nm. Também é amplamente absorvido pela atmosfera da Terra e, junto com o UVC, causa a reação fotoquímica levando à produção da camada de ozônio. Danifica diretamente o DNA e causa queimadura solar.[21] Além deste efeito a curto prazo, ele aumenta o envelhecimento da pele e promove significativamente o desenvolvimento de câncer de pele,[22] mas também é necessário para a síntese de vitamina D na pele dos mamíferos.[21]

Ultravioleta A ou (UVA) abrange de 315 a 400 nm. Este espectro foi uma vez considerado menos prejudicial ao DNA, e, portanto, é usado em bronzeamento artificial cosmético (cabines de bronzeamento e camas de bronzeamento) e terapia PUVA para psoríase. No entanto, agora sabe-se que o UVA causa danos significativos ao DNA por meio de rotas indiretas (formação de radicais livres e espécies reativas de oxigênio), e pode causar câncer.[23]

Faixa visível ou luz abrange de 380 a 700 nm.[24] Como o nome sugere, esta faixa é visível a olho nu. É também a faixa de saída mais forte do espectro total de irradiância do Sol.

Infravermelho que abrange de 700 nm a 1 000 000 nm (1 mm). Compreende uma parte importante da radiação eletromagnética que chega à 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

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Tabelas de radiação solar direta em várias inclinações de 0 a 60 graus de latitude norte, em calorias por centímetro quadrado, emitidas em 1972 e publicadas pela Estação Experimental de Florestas e Áreas de Pacific Northwest, Serviço Florestal, Departamento de Agricultura dos EUA, Portland, Oregon, EUA, aparecem na web.[25]

Intensidade no Sistema Solar

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A luz solar em Marte é mais fraca do que na Terra. Esta foto de um pôr do sol marciano foi registrada pelo Mars Pathfinder.

Corpos diferentes do Sistema Solar recebem luz com uma intensidade inversamente proporcional ao quadrado de sua distância do Sol.

Uma tabela comparando a quantidade de radiação solar recebida por cada planeta no Sistema Solar no topo de sua atmosfera:[26]

Planeta ou planeta anão distância (UA) Radiação solar (W/m2)
Periélio Afélio máxima mínima
Mercúrio 0,3075 0,4667 14 446 6 272
Vênus 0,7184 0,7282 2 647 2 576
Terra 0,9833 1,017 1 413 1 321
Marte 1,382 1,666 715 492
Júpiter 4,950 5,458 55,8 45,9
Saturno 9,048 10,12 16,7 13,4
Urano 18,38 20,08 4,04 3,39
Netuno 29,77 30.44 1,54 1,47
Plutão 29,66 48,87 1,55 0,57

A luminosidade real da luz solar observada na superfície também depende da presença e composição de uma atmosfera. Por exemplo, a atmosfera espessa 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 encobertas".[27]

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 fotos tiradas pelos rovers, há radiação difusa suficiente para que as sombras não pareçam particularmente escuras. Portanto, daria a percepção e "sensação" muito parecidas com a luz do dia na Terra. O espectro na superfície é ligeiramente mais avermelhado do que na Terra, devido à dispersão pelo pó avermelhado na atmosfera marciana.

Para comparação, a luz solar em Saturno é ligeiramente mais brilhante do que a luz solar na Terra ao nascer ou pôr do sol. Mesmo em Plutão, a luz solar ainda seria brilhante o suficiente para quase igualar a média de uma sala de estar. Para ver a luz solar tão fraca quanto a luz cheia da lua na Terra, é necessária uma distância de cerca de 500 UA (~69 horas-luz); apenas um punhado de objetos no Sistema Solar foram descobertos e são conhecidos por orbitar a uma distância maior do que essa, entre eles 90377 Sedna e (87269) 2000 OO67.

Ver também

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Referências

  1. ↑ «Climate and Earth's Energy Budget». earthobservatory.nasa.gov. 14 de janeiro de 2009. Consultado em 27 de janeiro de 2022 
  2. ↑ «Basics of Solar Energy». Consultado em 6 de dezembro de 2016. Cópia arquivada em 28 de novembro de 2016 
  3. ↑ Bell Burnell, S. Jocelyn (2004). An Introduction to the Sun and Stars illustrated ed. [S.l.]: Cambridge University Press. p. 56. ISBN 9780521546225  Extract of page 56
  4. ↑ «The 8-minute travel time to Earth by sunlight hides a thousand-year journey that actually began in the core». SunEarthDay.NASA.gov. NASA. Consultado em 12 de fevereiro de 2012. Cópia arquivada em 22 de janeiro de 2012 
  5. ↑ C. KANDILLI; K. ULGEN. «Iluminação Solar e Estimativa da Disponibilidade de Luz Solar da Irradiação Solar Global». Fontes de Energia 
  6. ↑ «Introdução à Radiação Solar». Newport Corporation. Cópia arquivada em 29 de outubro de 2013 
  7. ↑ Calculado a partir de dados em «Irradiância Espectral Solar de Referência: Massa de Ar 1.5». National Renewable Energy Laboratory. Consultado em 12 de novembro de 2009. Cópia arquivada em 28 de setembro de 2013  O primeiro de cada conjunto de duas figuras é para a radiação solar total alcançando um painel voltado para o Sol (que está a 42° acima do horizonte), enquanto a segunda figura de cada par é a radiação "direta mais circumsolar" (circumsolar significando vindo da parte do céu dentro de alguns graus do Sol). Os totais, de 280 a 4000 nm, são de 1000,4 e 900,1 W/m2 respectivamente. Seria bom ter mais figuras diretas de uma boa fonte, em vez de somar milhares de números em um banco de dados.
  8. ↑ Calculado a partir do espectro ASTM citado acima.
  9. ↑ Qiang, Fu (2003). «Radiação (Solar)» (PDF). In: Holton, James R. Enciclopédia de ciências atmosféricas. 5. Amsterdam: Academic Press. pp. 1859–1863. ISBN 978-0-12-227095-6. OCLC 249246073. Cópia arquivada (PDF) em 1 de novembro de 2012 
  10. ↑ Pedrotti & Pedrotti (1993). Introdução à Óptica. [S.l.]: Prentice Hall. ISBN 0135015456 
  11. ↑ Appleton, Edward V. (1945). «Desvio da Radiação Solar de Onda Longa da Intensidade do Corpo Negro». Natureza. 156 (3966): 534–535. Bibcode:1945Natur.156..534A. doi:10.1038/156534b0 
  12. ↑ Iqbal, M., "Introdução à Radiação Solar", Academic Press (1983), Cap. 3
  13. ↑ Exploração do Sistema Solar pela NASA – Sol: Fatos e Números Arquivado em 2015-07-03 no Wayback Machine recuperado em 27 de abril de 2011 "Temperatura Efetiva ... 5777 K"
  14. ↑ Garner, Rob (24 de janeiro de 2017). «Fermi Detecta a Luz de Maior Energia de um Fulgor Solar». Consultado em 25 de janeiro de 2018. Cópia arquivada em 17 de maio de 2017 
  15. ↑ «O Sol Multiespectral, da Associação Nacional de Professores de Ciências da Terra». Windows2universe.org. 18 de abril de 2007. Consultado em 12 de fevereiro de 2012. Cópia arquivada em 29 de fevereiro de 2012 
  16. ↑ Veja o vídeo mencionado na frase "Para mais detalhes sobre a comparação do corpo negro com o espectro AM0, veja este vídeo" em Pietro Altermatt. «O Espectro Extraterrestre». Lighthouse de PV. Lighthouse de PV Pty. Ltd. 
  17. ↑ Ryan Wilkinson (3 de agosto de 2023). «Detecção Recorde de Fótons Solares». Física. 16. Bibcode:2023PhyOJ..16.s107W. doi:10.1103/Physics.16.s107  
  18. ↑ Leah Crane (3 de agosto de 2023). «Astrônomos avistaram luz brilhante inexplicável vindo do Sol». New Scientist 
  19. ↑ A. Albert (3 de agosto de 2023). «Descoberta de Raios Gama do Sol Tranquilo com HAWC». Phys. Rev. Lett. 131 (5): 051201. Bibcode:2023PhRvL.131e1201A. arXiv:2212.00815 . doi:10.1103/PhysRevLett.131.051201 
  20. ↑ Naylor, Mark; Kevin C. Farmer (1995). «Dano solar e prevenção». Livro de Texto Eletrônico de Dermatologia. A Sociedade de Dermatologia da Internet. Consultado em 2 de junho de 2008. Cópia arquivada em 5 de julho de 2008 
  21. ↑ a b Wacker M, Holick, MF (2013). «Sol e Vitamina D: Uma perspectiva global para a saúde.». Dermato-Endocrinologia. 5 (1): 51–108. PMC 3897598 . PMID 24494042. doi:10.4161/derm.24494 
  22. ↑ Organização Mundial da Saúde (9 de março de 2016). «Radiação: Radiação Ultravioleta (UV)». Consultado em 8 de fevereiro de 2023 
  23. ↑ Watson, M.; Holman, D. M.; Maguire-Eisen, M. (1 de agosto de 2017). «Exposição à Radiação Ultravioleta e Seu Impacto no Risco de Câncer de Pele». Seminários em Enfermagem Oncológica. 32 (3): 241–254. PMC 5036351 . PMID 27539279. doi:10.1016/j.soncn.2016.05.005 
  24. ↑ «Luz Visível | Diretoria de Missão Científica» 
  25. ↑ John Buffo; Leo J. Fritschen; James L. Murphy (1972). «Radiação Solar Direta Em Várias Inclinações De 0 a 60 Graus De Latitude Norte» (PDF). Estação Experimental de Florestas e Áreas do Noroeste Pacífico, Serviço Florestal, Departamento de Agricultura dos EUA, Portland, Oregon, EUA. Consultado em 15 de janeiro de 2014. Cópia arquivada (PDF) em 27 de novembro de 2013 
  26. ↑ «Solar Intensity» (PDF). McAuliffe-Shepard Discovery Center. Cópia arquivada (PDF) em 22 de novembro de 2009 
  27. ↑ «The Unveiling of Venus: Hot and Stifling». Science News. 109 (25): 388–389. 19 de junho de 1976. JSTOR 3960800. doi:10.2307/3960800. 100 watts per square meter ... 14,000 lux ... corresponds to ... daytime with overcast clouds 
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