upright=1.5|miniatura|L'efecte escut de l'atmosfera terrestre sobre la radiació solar. La imatge superior és la irradiació solar mitjana anual (o insolació) a la part superior de l'atmosfera terrestre (TOA); la imatge inferior mostra la insolació anual que arriba a la superfície de la Terra després de travessar l'atmosfera. Tingueu en compte que les dues imatges utilitzen la mateixa escala de color
La irradiància solar és la potència per unitat d'àrea rebuda del Sol en forma de radiació electromagnètica mesurada en el rang de longitud d'ona de l'instrument de mesurament. La irradiància solar es mesura en watts per metre quadrat (W/m²) en unitats del SI. La radiació solar sovint s'integra en relació al temps per obtenir l'energia radiant emesa a l'entorn circumdant (joules per metre quadrat, J/m²) durant un període concret. Aquesta irradiància solar integrada s'anomena irradiació solar, exposició solar, insolació solar o senzillament insolació.
La irradiació es pot mesurar a l'espai o a la superfície de la Terra després de l'absorció i dispersió atmosfèrica. La irradiància a l'espai és una funció de la distància al Sol, el cicle solar i els canvis entre cicles.Michael Boxwell, Solar Electricity Handbook: A Simple, Practical Guide to Solar Energy (2012), p. 41–42. La irradiació a la superfície de la Terra depèn a més de la inclinació de la superfície de mesurament, l'alçada del Sol sobre l'horitzó i les condicions atmosfèriques. La radiació solar afecta el metabolisme de les plantes i el comportament animal.C.Michael Hogan. 2010. Abiotic factor. Encyclopedia of Earth. eds Emily Monosson and C. Cleveland. National Council for Science and the Environment. Washington DC
L'estudi i el mesurament de la irradiació solar tenen diverses aplicacions importants, inclosa la predicció de la generació d'energia de les plantes d'energia solar, les càrregues de calefacció i refrigeració dels edificis i la modelització del clima i la previsió meteorològica.
Tipus upright=1.5|miniatura|Mapa global de radiació horitzontalWorld Bank. 2017. Global Solar Atlas. https://globalsolaratlas.info upright=1.5|miniatura|Mapa global de radiació horitzontal La Irradiància Solar Total (TSI) és una mesura de l'energia solar en totes les longituds d'ona per unitat de superfície que incideix en l'atmosfera superior de la Terra. Es mesura perpendicularment a la llum solar entrant. La constant solar és una mesura convencional de la TSI mitjana a una distància d'una unitat astronòmica (UA). Irradiància normal directa (DNI), o radiació del raig, es mesura a la superfície de la Terra en un lloc determinat amb un element de superfície perpendicular al Sol. Exclou la radiació solar difusa (radiació que es dispersa o reflecteix per components atmosfèrics). La irradiància directa és igual a la irradiància extraterrestre sobre l'atmosfera menys les pèrdues atmosfèriques degudes a l'absorció i a la dispersió. Les pèrdues depenen de l'hora del dia (la longitud del recorregut de la llum a través de l'atmosfera depèn de l'angle d'elevació solar), de la nuvolositat, del contingut de humitat i d'altres continguts. La irradiància per sobre de l'atmosfera també varia amb l'època de l'any (perquè la distància al sol varia), encara que aquest efecte és generalment menys significatiu comparat amb l'efecte de les pèrdues al DNI. Irradiància Horitzontal Difusa (DHI), o Radiació Difusa del Cel és la radiació a la superfície de la Terra procedent de la llum dispersada per l'atmosfera. Es mesura en una superfície horitzontal amb la radiació procedent de tots els punts del cel, excloent-hi la radiació circumsolar (radiació procedent del disc solar). Gairebé no hauria DHI en absència d'atmosfera. Irradiància Horitzontal Global (GHI) és la irradiància total del sol sobre una superfície horitzontal de la Terra. És la suma de la irradiància directa (després de tenir en compte l'angle zenital solar del sol z) i la irradiància horitzontal difusa:
Irradiància global inclinada (GTI) és la radiació total rebuda en una superfície amb inclinació i azimut definits, fixos o amb seguiment del sol. La GTI pot mesurar-se o modelar-se a partir de GHI, DNI, DHI. Sol ser una referència per a les centrals fotovoltaiques, mentre que els mòduls fotovoltaics es munten a les construccions fixes o de seguiment. Irradiància Global Normal (GNI) és la irradiància total del sol a la superfície de la Terra en un lloc determinat amb un element de superfície perpendicular al Sol.
Unitats La unitat SI d'irradiància és watt per metre quadrat (W/m² = Wm−2).
Una unitat de mesura alternativa és el Langley (1 caloria termoquímica per centímetre quadrat o 41,840J/m²) per unitat de temps.
La indústria de l'energia solar utilitza Kilowatt hora per metre quadrat (Wh/m²) per unitat de temps. La relació amb la unitat SI és així:
1 kW/m² × (24 h/dia) = (24 kWh/m²)/dia (24 kWh/m²)/dia × (365 dies/any) = (8760 kWh/m²)/any.
Irradiació a la part superior de l'atmosfera miniatura|upright=1.5|Triangle esfèric per a l'aplicació de la llei esfèrica dels cosinus per al càlcul de l'angle zenital solar Θ per a l'observador a latitud φ i longitud λ a partir del coneixement de l'angle horari h i de la declinació solar δ. (δ és la latitud del punt subsolar, i h és la longitud relativa del punt subsolar). La radiació solar mitjana anual que arriba a la part superior de l'atmosfera terrestre és d'uns 1361 W/m². Això representa la potència per unitat d'àrea de la irradiància solar a través de la superfície esfèrica que envolta el Sol amb un radi igual a la distància a la Terra (1 AU). Això significa que el disc aproximadament circular de la Terra, vist des del Sol, rep aproximadament 1361 W/m² estables en tot moment. L'àrea d'aquest disc circular és , on és el radi de la Terra. Com que la Terra és aproximadament esfèrica, té una àrea total , significa que la radiació solar que arriba a la part superior de l'atmosfera, mitjana sobre tota la superfície de la Terra, es divideix simplement per quatre per obtenir 340 W/m². En altres paraules, amb una mitjana de l'any i el dia, l'atmosfera terrestre rep 340 W/m² del Sol. Aquesta xifra és important en el forçament radiatiu.
Derivació La distribució de la radiació solar a la part superior de l'atmosfera és determinada per l'esfericitat de la Terra i els paràmetres orbitals. Això s'aplica a qualsevol feix unidireccional incident a una esfera giratòria. La insolació és essencial per a la predicció numèrica del temps i per entendre les estacions i el canvi climàtic. L'aplicació a les eres glacials es coneix com a cicles de Milankovitch.
La distribució es basa en una identitat fonamental de la trigonometria esfèrica, la llei esfèrica dels cosinus:
on a, b i c són longituds d'arc, en radians, dels costats d'un triangle esfèric. C és l'angle en el vèrtex oposat al costat que té la longitud de l'arc c. Aplicat al càlcul de l'angle zenital solar Θ, el següent s'aplica a la llei esfèrica dels cosinus:
Aquesta equació també es pot derivar d'una fórmula més general:
on β és un angle respecte a l'horitzontal i γ és un angle azimut. miniatura|upright=1.5|, la irradiació mitjana diària teòrica a la part superior de l'atmosfera, on θ és l'angle polar de l'òrbita de la Terra, i θ = 0 a l'equinocci de primavera, i θ = 90° al solstici d'estiu; φ és la latitud de la Terra. El càlcul va suposar unes condicions adequades per a l'any 2000 dC: una constant solar de S0 = 1367 Wm−2, obliqüitat de ε = 23.4398°, longitud del periheli de ϖ = 282.895°, excentricitat e = 0.016704. Les etiquetes de contorn (verdes) estan en unitats de W m−2.
Es pot indicar la separació de la Terra del Sol RE i es pot indicar la distància mitjana R0, aproximadament 1 unitat astronòmica (UA). Es denota la constant solar. S0. La densitat de flux solar (insolació) sobre un pla tangent a l'esfera de la Terra, però per sobre de la major part de l'atmosfera (elevació 100 km o més) és:
La mitjana de Q durant un dia és la mitjana de Q en una rotació, o l'angle horari que progressa des de h = π a h = −π:
Permetre h0 sigui l'angle horari quan Q esdevé positiu. Això podria passar a la sortida del sol quan , o per h0 com a solució de
o
Si tan(φ)tan(δ) > 1, llavors el sol no es pon i el sol ja ha sortit h = π, so ho = π. If tan(φ)tan(δ) < −1, el sol no surt i .
és gairebé constant al llarg d'un dia i es pot treure fora de la integral
Per tant:
Sigui θ l'angle polar convencional que descriu una òrbita planetària. Deixar θ = 0 a l'equinocci vernal. La declinació δ en funció de la posició orbital és
on ε és la obliqüitat. (Nota: la fórmula correcta, vàlida per a qualsevol inclinació axial, és .) La longitud del periheli ϖ convencional es defineix amb relació a l'equinocci vernal, per tant, per a l'òrbita el·líptica:
o
Amb coneixements de ϖ, ε i e a partir de càlculs astrodinàmics i So a partir d'un consens d'observacions o teoria, es pot calcular per a qualsevol latitud φ i θ. A causa de l'òrbita el·líptica, i a conseqüència de la segona llei de Kepler, θ no progressa uniformement amb el temps. No obstant això, θ = 0° és exactament el moment de l'equinocci de primavera, θ = 90° és exactament l'època del solstici d'estiu, θ = 180° és exactament l'època de l'equinocci de tardor i θ = 270° és exactament l'època del solstici d'hivern.
Una equació simplificada per a la irradiància en un dia donat és:
on n és un número d'un dia de l'any.
Variació Irradiància solar total (TSI)Solar Radiation and Climate Experiment, Total Solar Irradiance Data (retrieved 16 July 2015) canvia lentament en períodes decennals i més llargs. La variació durant el cicle solar 21 va ser del 0,1% (cim a pic). A diferència de les reconstruccions més antigues, les reconstruccions més recents de la TSI apunten a un augment de només entre el 0,05% i el 0,1% entre el Mínim de Maunder del segle XVII i l'actualitat. La irradiància ultraviolada (EUV) varia aproximadament un 1,5 % des dels màxims fins als mínims solars, per a longituds d'ona de 200 a 300 nm. (19% de la disminució total d'1/1366 és una disminució de l'1,4% en UV) Tanmateix, un estudi de proxy estima que la UV ha augmentat un 3,0% des del mínim de Maunder.
miniatura|upright=1.5|Variacions en l'òrbita terrestre, canvis resultants en el flux d'energia solar a latituds altes i els cicles glacials observats. Algunes variacions en la insolació no es deuen als canvis solars sinó més aviat al moviment de la Terra entre el seu periheli i afeli, o canvis en la distribució latitudinal de la radiació. Aquests canvis orbitals o cicles de Milankovitch han provocat variacions de radiació de fins a un 25% (localment; els canvis mitjans globals són molt més petits) durant períodes llargs. L'esdeveniment significatiu més recent va ser una inclinació axial de 24° durant l'estiu boreal prop de l'òptim climàtic de l'Holocè. L'obtenció d'una sèrie temporal per a per a una determinada època de l'any, i una latitud particular, és una aplicació útil en la teoria dels cicles de Milankovitch. Per exemple, al solstici d'estiu, la declinació δ és igual a l'obliqüitat ε. La distància del sol és
Per al càlcul d'aquest solstici d'estiu, el paper de l'òrbita el·líptica està totalment contingut dins del producte important , l'índex de precessió, la variació del qual domina les variacions de la insolació a 65° N quan l'excentricitat és gran. Durant els pròxims 100.000 anys, amb les variacions en l'excentricitat relativament petites, les variacions en l'obliqüitat dominen.
Mesura