El Sol es la Principal Fuente de Energía del Sistema Climático de la Tierra.

La energía del sol dirige el sistema climático.

El sol calienta el planeta, regula el ciclo hidrológico, y hace posible la vida en la Tierra. La cantidad de luz solar recibida en la superficie de la Tierra se ve afectada por la reflectividad de la superficie, el ángulo del sol, la salida del sol y las variaciones cíclicas de la órbita de la Tierra alrededor del sol.

Los/as estudiantes de secundaria pueden comprender la ciencia básica de la energía solar y el papel que desempeña para el clima de la Tierra, pero las complejidades del balance energético de la Tierra siguen siendo un área de activa investigación científica. Por lo tanto, este tema es a la vez elemental y complejo.

Este principio está relacionado con el Principio 2 del conocimiento de energía: los procesos físicos en la Tierra son el resultado del flujo de energía a través del sistema de la Tierra.

Enseña a los/as estudiantes los mecanismos básicos del sistema climático.

Comprender el papel de la radiación solar en el sistema climático de la Tierra puede ayudarnos a comprender conceptos importantes como:

Las causas de las estaciones.

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Esta figura muestra la inclinación del eje de la tierra, causante de las estaciones. (Nota: la distancia y el diámetro NO están representados a escala)

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Las estaciones son causadas por la inclinación del eje de la Tierra. El eje inclinado significa que las partes norte y sur de la Tierra no reciben cantidades iguales de radiación solar (energía por unidad de área). Cuando el hemisferio sur está inclinado hacia el sol, es verano en el hemisferio sur e invierno en el hemisferio norte. (Principio 1c)

Las razones por la cual las edades del hielo ocurren.

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Las edades de hielo ocurrieron por cambios en la distribución de la radiación solar recibida sobre la superficie de la Tierra. La trayectoria orbital de la Tierra no es constante. Las variaciones en la trayectoria orbital de la Tierra hacen que la radiación solar que llega a cualquier punto de la superficie de la Tierra cambie. (Principio 1d)

 
Cómo la cantidad de energía emitida por el sol (luminosidad del sol) cambia con el tiempo.

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 La producción de energía solar no es constante. Su luminosidad (energía total emitida por el sol) ha aumentado con el tiempo geológico y varía ligeramente en escalas de tiempo más cortas.

 
Por qué el calentamiento climático reciente no ha sido provocado por aumentos en la producción del sol.

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La producción de energía del sol no ha cambiado lo suficiente en las últimas décadas para justificar el aumento en las temperaturas que se ha observado durante este mismo periodo. (Principio 1e)

 
La mayoría de las formas de energía que utilizan los humanos se derivan de la energía solar.

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Muchas formas de energía que los humanos utilizan, derivan de la radiación solar, como, por ejemplo, los alimentos, los hidrocarburos (como el petróleo y el gas natural), la energía eólica, la energía hidroeléctrica y, por supuesto, la energía solar.

Ayudando a los/as estudiantes a comprender estas ideas

La mayoría de los programas y estándares de enseñanza científica, incluyen el papel del sol a la hora de proporcionar energía al sistema de la Tierra, pero a menudo esta información es presentada de manera inconexa. Las estaciones y su importancia a la hora de regular los patrones climáticos estacionales o la migración de animales se enseñan en la escuela primaria pero después no vuelven a ser enseñados durante muchos años, si es que se retoman.

Además, los/as estudiantes de todas las edades, incluidos los/as estudiantes universitarios y los adultos, tienen dificultades para comprender las causas de las estaciones. Además de la inclinación axial, los factores que influyen en los modelos mentales de las personas incluyen: la creencia de que la Tierra orbita alrededor del Sol en un camino elíptico alargado; confusión sobre el tamaño relativo, el movimiento y la distancia de la tierra con respecto al sol; cómo viaja la luz; la duración de la translación de la Tierra alrededor del sol; e incluso el período de rotación. Una estrategia para mitigar este error frecuente es garantizar que las "causas de las estaciones" se expliquen de manera adecuada en la escuela secundaria, cuando los/as estudiantes tienen suficiente experiencia en geometría y física para comprender los conceptos clave (McCaffrey y Buhr, 2008).

Un concepto erróneo persistente es que el calentamiento climático experimentado recientemente se debe a cambios en la energía del sol que entra en la Tierra, en lugar de a aumentos en las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto se puede solventar examinando los registros de proyección solar y comparándolos con los registros de temperatura global. Los datos muestran claramente que la irradiación solar no está correlacionada con la temperatura de la Tierra.

Se pueden encontrar excelentes explicaciones relativas a este tema en Ciencia Escéptica: Sol y clima: Moviéndose en direcciones opuestas y con una gráfica de Bloomberg: ¿Qué está realmente calentando el mundo? Esta gráfica fue creada usando datos de la NASA y resultados de los modelos.

Trayendo estas ideas a tu aula

La radiación solar es la energía fundamental que controla nuestro sistema climático, y casi todos los procesos climáticos y biológicos en la Tierra dependen de la entrada de energía solar. La energía del sol es esencial para muchos procesos en la Tierra, incluyendo el calentamiento de la superficie, la evaporación, la fotosíntesis y la circulación atmosférica. Por lo tanto, el examinar cómo el sol impulsa diferentes procesos en la Tierra puede ser parte del contenido de muchas materias de ciencias distintas. Muchos de los conceptos científicos relacionados con este principio pueden ser explicados a través del fomento de las observaciones estacionales, participando en programas de ciencia ciudadana con estudiantes (como GLOBE) y revisando periódicamente los conceptos básicos de cómo la cantidad y la intensidad de la energía solar afectan el clima de la Tierra.

Las distintas maneras en las que la energía del sol controla el sistema climático pueden enseñarse desde un nivel muy básico hasta a través de los enfoques científicos más sofisticados.

Soluciones integradoras: los conceptos científicos relacionados con la radiación solar se pueden extrapolar al campo de la ingeniería y la tecnología de la energía solar, incluyendo el terreno de hornos solares, diseño solar pasivo, energía solar térmica y electricidad solar. Esto puede ayudar a crear conciencia sobre alternativas al uso de combustibles fósiles además de impulsar un foro de debates sobre soluciones al cambio climático que nuestra sociedad pueda adoptar.

Material didáctico de la colección CLEAN.

Escuela intermedia

• Se pueden utilizar globos y otros modelos físicos para mostrar la inclinación del eje de la Tierra y cómo esta influye en la distribución de la luz solar durante las diferentes estaciones, como por ejemplo la metodología "Mi ángulo en el enfriamiento: Efectos de la distancia y la inclinación".
• Introducción al clima de la Tierra: esta lección es una introducción al clima de la Tierra y cubre los principios clave relacionados con el clima, la atmósfera y las diferencias climáticas regionales y temporales de la Tierra.
• ¿Te sientes aventurero? "El increíble Albedo" es una actividad interactiva que implica medir la temperatura de distintas superficies coloreadas.

Escuela secundaria

• El Clima: Un Acto de Equilibrio permite a los/as estudiantes ajustar los parámetros que afectan el balance de energía de la Tierra: la radiación solar entrante, el efecto albedo, el efecto invernadero y la radiación saliente.
• Los/as estudiantes pueden aprender cómo los ciclos orbitales y las edades de hielo están correlacionados con el Applet Climático de Ciclos de Milankovitch.
• La herramienta de visualización interactiva "Estaciones" puede convertirse en la base para la exploración abierta sobre cómo la radiación solar varía en función de la ubicación y la estación.
• El vídeo de "Influencia Solar: Cambio Climático" de las Academias Nacionales puede ayudar a reforzar la evidencia de que la actividad solar no está causando el calentamiento global.

Universidad

• "El Presupuesto de Calor de la Tierra" es una actividad práctica de laboratorio que investiga los efectos de la distancia y el ángulo de entrada de la radiación solar, el albedo, la capacidad calorífica de la tierra y el agua, y cómo estos elementos causan las estaciones.
• El "Laboratorio de Movimientos del Sol" usa un simulador animado para permitir a los/as estudiantes manipular distintas variables para entender el movimiento aparente del sol en el cielo.
• "Observe los cambios en la órbita de la Tierra que contribuyen al cambio climático": esta visualización animada de los ciclos de Milankovitch puede sentar las bases para un debate más avanzado sobre el forzamiento climático.
• Se puede usar un enfoque cuantitativo con esta introducción paso a paso a un modelo simple de STELLA: Modelando el Presupuesto de Energía de la Tierra.
• Modelando el Clima Temprano de la Tierra de GEEBITT ayuda a los/as estudiantes a familiarizarse con los procesos físicos que hicieron que el clima temprano de la Tierra fuera tan diferente al de hoy.