Szinte a Földön található összes energia, ami a különböző rendszereket (klíma rendszerek, ökoszisztémák, hidrológiai rendszerek, stb) hajtja, a Naptól származik.
A Nap
A napenergia a nap középpontjában jön létre, amikor hidrogénatom magjai magfúzió során egyesülnek és hélium atommagok képződnek.
A Nap belső szerkezete
A mag központi helyet foglal el a nap közepén, ami mintegy negyede a csillag sugarának. A gravitáció a nap összes tömegét a középpontja felé húzza, ezzel intenzív nyomást teremtve. Ez a nyomás elég nagy ahhoz, hogy az atommagok egyesülését előidézze.
A nukleáris fúziós folyamat minden egyes percében 700 millió tonna hidrogén alakul át nehezebb hélium atommá. 4,5 milliárd éve, a megalakulása óta a nap már felhasználta magban található hidrogén mintegy felét. A napban lejátszódó nukleáris reakciók óriási hőt termelnek, aminek a következtében a napban levő szubsztanciák atomjai fotonokat lövellnek ki.
A mag hőmérséklete mintegy 15 millió kelvin fok (15 millió ° C vagy 27 millió ° F). Minden létrejött foton körülbelül egy mikrométert tesz meg, mielőtt elnyelné egy szomszédos gázmolekula.
Ez a felszívódás a szomszédos atom felmelegedését idézi elő, ami újra kibocsát egy másik fotont, hogy ismét megtegyen egy rövid távot, mielőtt felszívódik egy másik atom által. Ez a folyamat sokszor ismétlődik, mielőtt a foton végül a Nap felszínén a világűrbe jut.
A felszínre jutás utolsó 20%-ában az energia inkább légáramlás, mint sugárzás útján szállított. Egy fotonnak 1000 évbe, körülbelül 1025 felszívódásba és újra-kibocsátásba telik, míg a magból a Nap felszínére jut. A nap felszínéről a Földre 8 perc alatt ér.
A Nap sugárzási felületének vagy a fotoszférának átlagos hőmérséklete körülbelül 5800 K. A Nap sugárzó energiájának nagy része a látható fény tartományba esik, 500 nm központ körül ( 1 nm= 10-
A Napenergia áthalad az űrön, míg bolygóba, egyéb égi objektumokba vagy csillagközi gázba és porba nem ütközik. A napsugárzás intenzitása az inverz négyzetes törvény határozza meg.
Ez a törvény kimondja, hogy a Nap által kibocsátott sugárzás intenzitása a távolság négyzetével fordított arányban csökken. E törvény eredményeként, ha egy adott távolság esetén az intenzitás egy egység, kétszer akkora távolságban az intenzitás csak a negyede lesz. Háromszor akkora távolság esetén az intenzitás egy-kilencede az egy egységnél mért intenzitás értékének, és így tovább.
Ha figyelembe vesszük az energia mennyiséget, amit a Nap sugároz, és a Nap és a Föld közötti 149,5 millió km távolságot, akkor megállapíthatjuk, hogy a Föld atmoszférájának külső határát körül-belül 1,367 W/m2 sugárzás éri el. Ennek az energiának csupán 40%-a jut el a Föld felszínéig.
A beérkező látható sugárzást a légkör tükrözi és szórja. Gamma-sugarak, röntgen és ultraibolya sugárzás kevesebb, mint 200 nm hullámhosszon az oxigén és nitrogén által elnyelődik a légkörben, és hőenergiává alakul.
Az ultraibolya sugárzás nagy része 200-300 nm hullámhosszon felszívódik a sztratoszférában található ózon (O3) gáz által. Infravörös sugárzás (l>700 nm) részben elnyelődik a légkörben megtalálható szén-dioxid, ózon, és a víz molekulákban. A Nap látható sugárzásának mintegy 30%-a (400 -700 nm hullámhosszon) visszatükröződik az űrbe a légkör, illetve a Föld felszínéről.
Általános használatra a Nap által termelt energia állandónak tekinthető. Ez természetesen nem teljesen igaz. A tudósok kimutatták, hogy a napsugárzás időben változó. Néhány kutató azt feltételezi, globális átlaghőmérséklet növekedése az elmúlt évszázadban lehetett napenergia eredetű. Ez a megállapítást azonban nehéz bizonyítani, mert a pontos napenergia adatok csak 1978-ra nyúlnak vissza.