A quantidade de energia solar que chega, por unidade de tempo e por unidade de
área, a uma superfície perpendicular aos raios solares,
à distância média Terra-Sol,
se chama
constante solar, e
vale

. Esse valor da constante solar é medido por satélites logo
acima da atmosfera terrestre.
Em geral estamos interessados em conhecer a
quantidade de energia por unidade de área e por unidade de tempo que chega
em um determinado lugar da superfície da Terra, que chamamos
insolação
do lugar.
A insolação varia de acordo com o lugar, com a hora do dia e com a época do
ano.
Se definirmos
insolação solar como a quantidade de energia
solar que atinge uma unidade de área da Terra,
e considerando que quando o Sol está a uma altura

em
relação ao horizonte, a mesma energia é espalhada por
uma área

vemos que devido a variação da altura máxima do Sol para
um lugar (causada pela inclinação da órbita) acontece uma
variação da área iluminada
na superfície da Terra e, portanto, uma
variação na insolação.
Para Porto Alegre, cuja latitude é 30°,
a altura máxima
do Sol no Solstício de Verão (

21 Dez)
é

,
já que o Sol está a (30° lat - 23,5° decl.)
6,5°
do zênite ao meio-dia local.
Ao meio-dia, no Solstício de Inverno (

21 Jun),
a altura máxima do Sol é

, já que o Sol está
a (30°lat + 23,5° decl.) 53,5°
do
zênite.
Desconsiderando, por enquanto, a variação da insolação
solar devido à variação da distância da Terra ao Sol,
isto é, considerando a energia do Sol no Zênite (

) constante,
temos:
isto é, a insolação em Porto Alegre é 66% maior no
verão do que no inverno.
Em comparação, o efeito da variação da distância entre
a Terra e o Sol pode ser calculado levando em conta que a energia do Sol
por unidade de área que alcança a Terra é dada por:
onde

é a distância da Terra do Sol no
momento.
A variação da insolação solar devido à variação
de 3% da distância Terra-Sol entre
o afélio e o periélio é,
portanto:
isto é, em janeiro (periélio), a insolação solar é
6% maior do que em junho (afélio). Este pequeno efeito é
contrabalançado pela maior concentração de terra no
hemisfério norte.
Além da insolação, a duração do dia, que é
de 14h 10m no Solstício de Verão e 10h 10m no
Solstício de Inverno, em Porto Alegre, contribui
nas estações do ano.
Devido à rotação da Terra,
a energia média incidente no topo da atmosfera, por unidade de área e por
unidade de tempo, é aproximadamente
1/4 da constante solar.
Além disso, a atmosfera reflete 39% da radiação, de forma que apenas 61% é
usada no aquecimento da Terra.
Chamando

a energia média que chega perpendiculamente
à superfície da Terra, por unidade de tempo e por unidade de área, temos que
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