La constante solar

Claude Servais Mathias Pouillet, profesor de física en la Sorbonne y director del Conservatoire des arts et métiers, fue el primero en medir la constante solar durante una serie de observaciones realizadas en muchas tardes soleadas de 1837 y 1838Claude_Servais_Mathias_PouilletPara ello inventó un instrumento conocido como piroheliómetro, que consistía en un pequeño disco lleno de agua, que se apuntaba al sol,  con un termómetro para medir la temperatura.

pouilletpyrheliometer

El propio Pouillet nos describe el procedimiento para realizar las mediciones

El piroheliómetro se mantiene en la sombra, pero muy cerca del lugar donde se va a poner al sol: se coloca de modo que mira hacia el mismo lugar de cielo, y allí, durante cuatro minutos, su calentamiento o su enfriamiento se observa minuto a minuto; durante el siguiente minuto se coloca detrás de una pantalla, y luego se ajusta de modo que al quitar la pantalla al final del minuto, que será un quinto, los rayos solares golpean perpendicularmente. Luego, durante cinco minutos, bajo la acción del sol, su calentamiento, que se vuelve muy rápido, se observa minuto a minuto, y se tiene cuidado en mantener el agua incesantemente agitada; al final del quinto minuto,  la pantalla se sustituye, el aparato de retirada a su primera posición, y durante cinco minutos más se observa su enfriamiento.

Fuente: Global Warming Science At The Barricades: Claude Pouillet, The Sun, And 1849

Pouillet midió un flujo solar a cielo despejado de 1,76 cal/cm² por minuto o equivalente, en unidades del SI, 1226 W/m². El valor actual más preciso de las mediciones de satélite es de 1361 W/m² (ver más abajo) , así que el error de Pouillet fue del 10%, lo que no está mal dado lo rudimentario del procedimiento.

El lector puede intentar realizar una medida de la constante solar.

Constante solar versus potencia media sobre la superficie terrestre

La constante solar es una medida estandarizada a 1 unidad astronómica de distancia de lo que suele denominarse TSI (Total Solar Irradiance). Por supuesto, esa potencia por unidad de superficie está medida perpendicularmente a los rayos solares, de tal manera que la potencia media sobre la superficie terrestre será menor. Veamos cómo calcularla de manera muy simple.

irradiancia

La potencia total que incide sobre la circunferencia perpendicular a la dirección de incidencia de los rayos solares será

P=TSI \times \pi r^{2}

\pi r^{2}   es por supuesto la superficie del círculo proyectado por la esfera terreste.

Y la potencia promedio por unidad de superficie sobre la tierra será será

P_{S}=\frac{P}{4\pi r^{2}}=\frac{TSI}{4}\sim 340\, W/m^{2}

4\pi r^{2}   es la superficie de la esfera terreste.

En realidad la relación exacta entre la superficie de la Tierra (un esferoide) y la superficie proyectada de la esfera de la Tierra es 4.0034.

Variaciones de la constante solar

El satélite de NASA The Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) (lanzado en 2003)  toma medidas de la constante solar siendo capaz de detectar variaciones de 10 ppm (partes por millón). Las variaciones son menores del 0,1%, o aproximadamente en torno a 1 W/m² arriba o abajo, como podemos ver en los datos de SORCE.

tsianual

En la gráfica anterior estamos viendo valores estandarizados de la constante solar. Sin embargo, si representamos las variaciones a lo largo de un año de la irradiancia solar debiod al cambio de la distancia Tierra-Sol a lo largo de la órbita terrestre, observamos un cambio del valor en torno a algo menos del 7% desde enero a junio.

sorcetsidailyav

A más largo plazo podemos apreciar perfectamente las variaciones correspondientes al ciclo solar de unos 11 años. En la figura a continuación se comparan las medidas de la constante solar con el número de manchas solares. Pueden apreciarse los tres últimos ciclos solares.

Fuente: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/08jan_sunclimate/

Por último, resultan interesantes las reconstrucciones históricas de la constante solar. En la misma página de SORCE podemos ver una de los últimos 400 años.

Controversia sobre los valores de la constante solar

No sólo las reconstrucciones históricas del valor de la constante solar resultan controvertidas. El valor absoluto actual de la constante solar ha cambiado recientemente de  1365,4 ± 1,3 Wm/m² al actual 1360.8 ± 0,5 W/m². La razón, aparentemente, tienes que ver con el uso de mejores instrumentos en los satélites más recientes, pero es un asunto lejos de estar resuelto.

En la figura a continuación (extraída de Claus Fröhlich 2012) pueden verse las diferentes series de medidas desde 1978 en los diferentes radiómetros a bordo de satélites.

TSIdiscrepancia

La pregunta interesante es cómo afecta el valor absoluto de la constante solar a los resultados de los modelos climáticos, lo que escapa de momento a las pretensiones de esta entrada.

Ver  David H. Rind, Judith L. Lean, and Jeffrey Jonas, 2014: The Impact of Different Absolute Solar Irradiance Values on Current Climate Model Simulations. J. Climate, 27, 1100–1120.

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