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1
Ambiental
Física
LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice
2.- LA ATMOSFERA TERRESTRE
Origen y composición de la atmósfera La atmósfera estándar Capa límite
Presión
Temperatura. La distribución vertical de temperaturas Ciclo diario de temperaturas
Viento
Precipitación
2
Ambiental
Física
ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y LA SUPERFICIE DEL PLANETA
Equipo docente:Alfonso Calera BelmonteAntonio J. Barbero
Departamento de Física AplicadaUCLM
3
Ambiental
Física
FORMACIÓN DE LA TIERRA
Teoría de acreción de planetesimales
Diferenciación de la estructura en función de la densidad Núcleo interno
Sólido, radio ≈ 1200 km
Núcleo externo
Líquido, radio ≈ 3470 km
Manto
Radio ≈ 3470 km
Corteza
Espesor ≈ 8 - 70 kmAdaptado de:http://zebu.uoregon.edu/internet/images/earthstruc.gif
4
Ambiental
Física
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA
Formada originalmente por los gases emitidos por componentes volátiles internosy erupciones volcánicas. El Oxígeno se formó por mecanismos biológicos. Los gases fueron retenidos por la fuerza de gravedad.En las erupciones volcánicas actuales se observa que los volátiles más comunesson H2O (85%), CO2 (10%) y SO2 y compuestos de nitrógeno (resto).
Baja proporción actual de H2O en la atmósfera
Baja proporción actual de CO2 en la atmósfera
Predominio del nitrógeno
Presencia de otros componentes (pequeña concentración)
Presencia de una importante fracción de O2
La atmósfera actual
http://www.xtec.es/~rmolins1/solar/es/planeta02.htm
Información adicional: http://faculty.weber.edu/bdattilo/shknbk/notes/atmsphrorgns.htm
5
Ambiental
Física
ATMÓSFERA ESTÁNDAR
• La temperatura del aire a 0 metros (nivel del mar) es de 15 ºC (288.15 K)• La presión atmosférica a 0 metros es de 1013.25 hPa• El aire es seco y se comporta como un gas perfecto• La aceleración de la gravedad es constante e igual a 980.665 cm/s2
• Desde el nivel del mar hasta los 11 km la temperatura decrece con la altura a razón de 6.5 ºC/km: T = 288.15 K -( 6.5 K/km)· H (H: altura en km)
• En este nivel la presión se estima mediante P = 1013.25 hPa ·(288.15 K/T)^-5.256
• Desde los 11 a los 20 km la temperatura se mantiene constante e igual a 216.65 K• En este nivel la presión se calcula como P = 226.32 hPa · exp(-0,1577·(H-11km))
• Desde los 20 a los 32 km la temperatura aumenta: T = 216.65 K + (H-20 km) (H: altura en km)
• En este nivel la presión se calcula: P = 54.75 hPa · (216.65K/T)^34.16319
6
Ambiental
Física
ATMÓSFERA ESTÁNDAR (2)
• Desde los 32 a los 47 km la temperatura aumenta según la relación T = 228.65 K + (2.8 K/km)·(H-32 km) (H: altura en km)
• En este nivel la presión se calcula mediante P = 8.68 hPa · (228.65 K/T)^12.2011
• Desde los 47 a los 51 km la temperatura se mantiene constante e igual a 270.65 K• En este nivel la presión se calcula mediante P = 1.109 hPa · exp(-0,1262·(H-47km))
• Resto de niveles superiores puede verse en las siguientes referencias: A. Naya(Meteorología Superior en Espasa-Calpe); y, R.B.Stull (Meteorology for Scientistsand Engineers)).
Fuente: J. Almorox, http://www.eda.etsia.upm.es/climatologia/Presion/atmosferaestandar.htm
Calculadora de atmósfera estándar
(hasta 86 km): http://www.digitaldutch.com/atmoscalc/
7
Ambiental
Física
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS
Cap
a ho
mog
énea
Altura
(km)
500/1500 Temperatura (ºC)-50 0 50 100 150 200-100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
490
500
510
520 Exosfera
Termosfera
Mesosfera
Estratosfera
TroposferaTROPOPAUSA
ESTRATOPAUSA
MESOPAUSA
TERMOPAUSA
Gráfico elaborado según datos de http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/images/profile_jpg_image.html
TERMOPAUSA
La temperatura en la termosfera depende mucho de la actividad solar y puede variar entre 500 ºC y 1500 ºC.
8
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA. TROPOSFERA
Troposfera
Estratosfera Muy seca, incremento concentración O3Largos tiempos de permanencia de partículas Mezcla vertical muy reducida
Mesosfera
dT/dz ≈ -7 K·km-1
80% masa, ≈100% vapor de aguaSuceden todos los fenómenos meteorológicos: circulación general atmosférica, nubes, borrascas, ciclones
99.9% masa
99% resto
1% resto Termosfera
Partículas cargadas (ionosfera)
Partículas cargadas y no cargadasColisiones muy poco frecuentes
TROPOPAUSA
ESTRATOPAUSA
MESOPAUSA
≈ 10 - 12 km
≈ 50 km
≈ 80 km
Ambiental
Física
9
CAPA LIMITE PLANETARIA. LA CAPA DONDE INTERACTUAN LOS SERES VIVOS
Troposfera
PBL
(Planetary Boundary Layer, PBL, o Atmospheric Boundary Layer, ABL)
La capa límiteplanetaria es la capa
de la atmósfera(300 -3000 m de
espesor) queinteractúa con la
superficie terrestre, y que es
influenciada por los intercambios de
energía y materiacon dicha superficie
Los intercambios de energía y materia están relacionados con las turbulencias♦
Es una capa de mezcla♦
Dilución de contaminantes♦
Ambiental
Física
10
CONCEPTO DE CAPA LÍMITE
1
10
100
1000
10000
Altu
ra (o
rden
de
mag
nitu
d, m
)
CA
PA R
UG
OSA
CA
PA S
UPE
RFI
CIA
LC
APA
EX
TER
NA
TROPOPAUSA
CA
PA L
ÍMIT
E
TRO
POSF
ERA
RUGOSIDADES SUPERFICIALES
Turbulencia: vórtices y remolinos asociados a diversas causas
BASE DE LAS NUBES
La capa límite es la parte de la troposfera influida directamente por la superficie de la Tierra, y que responde a las fuerzas superficiales en una escala temporal de alrededor de una hora o menos.
Las fuerzas asociadas a la superficie de la Tierra incluyen fricción de arrastre, transferencia de calor, evaporación y transpiración, emisión de contaminantes y características del terreno que modifican el flujo.
Ambiental
Física
11
Gráfica elaborada con datos de condiciones medias anuales en http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
6
8
10
12
14
16
18A
ltura
(km
)
Latitud (grados)
ALTURA DE LA TROPOPAUSA
Troposfera
Estratosfera Factores que influyen en altura de tropopausa
* Temperatura de la troposfera
En condiciones ambientales de bajas temperaturas, la tropopausa desciende debido a que en estos casos la convección es menor.
Ambiental
Física
* LatitudEn el ecuador se encuentra más elevada que en los polos
* Estación del año
Información adicional:Mapa de presiones en la tropopausa (valores medios entre 1983 y 1998) http://www.gfdl.noaa.gov/~tjr/TROPO/TROPO.html
12
Ambiental
Física
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE PRESIONES
20
40
60
80
100
120
140
160
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 102 103101
Presión (mb)
Densidad (g/m3)
Recorrido libre medio (m)
Altura(km)
John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic PressAdaptado de CRC Handbook of Chemistry and Physics, 54th Edition. CRC Press (1973)
Gráfica elaborada con datos procedentes de
Distancia promedio recorrida por una molécula antes de sufrir una colisión con otra.
Agua líquida condiciones ambientales
106 g/m3
13
Ambiental
Física
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA ALTURA
1. Difusión debida a movimientos moleculares aleatorios
Tiende a producir una atmósfera en la que el peso molecular medio de la mezclade gases decrece con la altura, de forma que en los niveles superiores abundanlos gases más ligeros: cada gas constituyente se comporta como si sólo él estuviese presente, y la densidad de cada gas decae exponencialmente con la altura, pero la altura de referencia H es distinta para cada gas, pues la densidad de los gasesligeros decae más lentamente que la de los gases de mayor masa molecular (M).
BgH 1=)/exp(0 HzPP −⋅=
Mayor M, mayor B Menor M, menor B
Altura
14
Ambiental
Física
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA ALTURA (2)
2. Mezcla por movimientos convectivos
La convección tiende a homogeneizar la composición de la atmósfera. A niveles bajos el recorrido libre medio es tan pequeño que el tiempo necesario para separar componentes es mucho mayor que el que requieren las turbulencias para formar una mezcla homogénea.
20
40
60
80
100
120
140
160
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 102 103101
m
km
Recorrido libre medio vs altura
Cap
a ho
mog
énea
Por tanto a niveles bajos la atmósfera es un sistema cuyos componentes se encuentran muy bien mezclados.
Límite: aproximadamente a 100 km
A partir de esta altura la mezcla por convección ya no es tan eficiente y se aprecian diferencias de composición en función de la altura.
15
Ambiental
Física
ESCAPE DE GASES DE LA ATMÓSFERA
Velocidad más probable:mM
kTv⋅
= 2
Velocidad de escape: aquella velocidad para la cual la energía cinética de unapartícula es suficiente para escapar al infinito desde el campo gravitatorio terrestre( a una altura de 0 km, la velocidad de escape es alrededor de 11 km⋅s-1)
La temperatura a 500 km es de 600 ºC velocidad más probable ≈ 3 km⋅s-1
Velocidad más probable Hidrógeno ≈ 3 km⋅s-1
Oxígeno ≈ 0.8 km⋅s-1
Fracción de moléculas con velocidad igual a la de escape
≈ 10 -6
≈ 10 -84
Escape de gases ligeros a lo largo de las eras geológicas
16
Componentes mayoritarios atmósfera (% volumen)
Otros 0.04%
Ar 0.93%
O2 21%N2 78%
Componentes mayoritarios aire seco
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
Vapor de agua (altamente variable): Hasta 4% (volumen)
Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press
Otros 0.07%
Ar 1.3%
O2 23%N2 76%
Componentes mayoritarios aire seco(% masa)
COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km(porcentajes)
Ambiental
Física
17
Ambiental
Física
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
(partes por millón en moléculas)Componentes minoritarios
Ozono: 0-12 ppm
Resto 6.5 ppm (1.9%)
Ne 18 ppm (5.2%)
CO2 325 ppm (93%)
H2 0.5 ppm (7.7%)
Kr 1 ppm (15%)
He 5 ppm (77%)
18
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: H2O
Baja proporción actual de H2O en la atmósfera
T
P
P3
T3
T3= 0.01 C = 273.16 K
TC
PC
1 atm
100 C
P3= 0.006112 bar
TC = 374.15 C = 647.30 K
PC = 221.20 bar
Los ejes NO están a escala
10 20 30º C10
20
30
40
mb
Condiciones ambientales
≈ 23 mb
Ambiental
Física
19
Ambiental
Física
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: CO2
Baja proporción actual de CO2 Estimación del contenido en carbono de la corteza terrestre
(unidades arbitrarias)
Fuente: John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey.
Academic Press. Tomado de P K Weyl, Oceanography.
John Wiley & Sons, NY, 1970
Biosfera marina 1Biosfera terrestre 1Atmósfera (CO2) 70Océano (CO2 disuelto) 4000Combustibles fósiles 800Sales 800000Carbonatos 2000000
Procesos geológicos y biológicos
Almacenamiento de carbono: * Rocas, sales, combustibles fósiles* Atmósfera (CO2 libre) y océano (CO2 disuelto)* Biosfera
Presencia de oxígeno en la corteza terrestre:* Sales de hierro, carbonatos y bicarbonatos
Carbonatos: formados mediante reacciones de intercambio iónico (seres vivos)
H2CO3 + Ca++ → CaCO3 + 2H +H2O + CO2 → H2CO3
20
Ambiental
Física
ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO
335
330
325
320
315
Concentración CO2 (ppm)
1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974Año
Datos del observatorio de Mauna Loa (Hawaii). Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey.
29%Incrementos de concentración desde 1750
280 ppm1750
360 ppmActual
Datos basados en http://zebu.uoregon.edu/1998/es202/l13.html
Más información sobre ciclo del carbono:http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/carbondioxid/concentration.html
21
Ambiental
Física
NITRÓGENO Y COMPONENTES MINORITARIOS
Predominio atmosférico del N2
El contenido original ha sido poco alterado a causa de su baja reactividad
Fijado alrededor del 20% en forma de nitratos (actividad biológica)
Otros componentes de la atmósfera
Lluvia ácidaAZUFRE: Inyectado en atmósfera por erupcionesvolcánicas en forma de sulfuro
Sulfatos enla corteza
Procedentes de desintegracionesradiactivas
GASES NOBLES: He, Ar
22
Ambiental
Física
EL OXÍGENOLA PRESENCIA DE O2 EN
LA ATMÓSFERA ESTÁLIGADA A LOS PROCESOS
BIOLÓGICOSFUENTES DEL OXÍGENO ATMOSFÉRICO
Disociación del agua (UV) 2H2O → 2H2 + O2
Fotosíntesis (luz visible) H2O + CO2 → {CH2O} + O2
VIDA MARINA
Primeros organismos(ambiente reductor?) *
≈ 4⋅109 años
Algas unicelularesliberación O2≈ 2-3⋅109 años
Producción O3Reducción de UV
en superficie
VIDA EN TIERRA FIRME
Mayor liberación O2≈ 4⋅108 años
* Véase experimento de Miller en http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo9/4.html
23
Ambiental
FísicaPRESIÓN, TEMPERATURA,
VIENTO Y PRECIPITACIÓN
24
Ambiental
Física
PRESIÓN. Concepto y unidades
Presión, p: magnitud física que expresa la acción de un gas sobre la superficie de un sólido o líquido y es el cociente entre la fuerza normal a la superficie y el área de la superficiesobre la que se ejerce.
Algunos conceptosPresión absoluta = Presión atmosférica local + Presión manométrica
Unidades en el SI: p [Pa = N/m2] ; Pa, Pascal; kilopascal [kPa] 1 kPa = 103 Pa
bar 1 bar = 100 kPamilibar (mbar) 1 mbar = 0.1 kPametro de columna de agua (m.c.a.) 1 m.c.a. = 0.9807 kPaatmósfera (atm) 1 atm = 101.325 kPamilímetros de mercurio (mmHg) 1 mmHg = 0.1333kPa kg/cm2 1 kg/cm2 = 98.07 kPa
25
Ambiental
Física
ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE DESCRIBEN EL ESTADO DE LA ATMÓSFERA (2)
Presión P♦ Magnitud física que expresa la acción de un fluido sobre la superficie de un sólido o líquido y es el cociente entre la fuerzanormal a la superficie y el área de la superficie sobre la que se ejerce.
Conversor de presión:http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/presión.htm
Unidad SI Pascal Se define el pascal como la presión ejercida por unafuerza de 1 N sobre 1 m2.
1 bar = 100 kPa
1 mb = 0.1 kPa
metro de columna de agua (m.c.a.) 1 m.c.a. = 0.9807 kPa
1 atm = 101.325 kPa 1 mmHg (1 torr) = 0.1333kPa
1 kg/cm2 = 98.07 kPa
Otras unidades
26
Ambiental
Física
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar
Variación vertical >> variación horizontalzA
B
BpAp >
Por debajo de 100 km, para una altura dada, la presión está prácticamentesiempre dentro de un intervalo de un ±30% de un valor estándar.
27
PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
Ambiental
Física
gdzdp ρ−=
dp = - ρ g dz(p+dp)dS
pdSρ g dS dzdz
z La presión, p,[Pa] disminuye con la altura a un ritmo que depende del valor de la densidad ρ[kg m-3] y de la aceleración de la gravedad, g[m s-2], que a su vez varían con la altura, z [m].
Presión a nivel de mar (altura cero) : 1 atm= 101.325 kPa (Atmósfera estándar)
Presión atmosférica a diferentes alturas
Ecuación válida para la troposfera
26.5
2930065.02933.101 ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ −
=zp
p [kPa]; z [m]
Variación de la presión con la altura
28
Ambiental
Física
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2)Deducción de la ecuación de variación de la presión con la altura
Combinando ec. de estado de gases idealescon la ec. de de la hidrostática y asumiendo una disminución lineal de la temperatura con la altura T = To – α z
TRP *ρ=gdz
dP ρ−=
zg
TRP
dzdP
*−=
)(** zTdz
Rg
Tdz
Rg
PdP
o α−=−=
∫∫ ⋅−
−=zP
P
dzzoT
dzRg
PdP
0 )(*0
α ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −=o
o
TzTLn
Rg
PPLn α
α *0
*Rg
o
oo
TzTPP
αα⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=
29
Ambiental
Física
PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
dp = - ρ g dz
gdzdp ρ−=
(p+dp)dS
pdSρ g dS dzdz
zLa presión, p,[Pa] disminuye con la altura a un
ritmo que depende del valor de la densidad ρ[kg m-3] y de la aceleración de la gravedad, g[m s-2], que a su vez varían con la altura, z [m].
Presión a nivel de mar (altura cero) : 1 atm= 101.325 kPa (Atmósfera estándar)
Presión atmosférica a diferentes alturas
Ecuación válida para la troposfera
26.5
2930065.02933.101 ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ −
=zp
p [kPa]; z [m]
30
Ambiental
Física
VIENTO
Aire en movimiento. Flujo de aire relacionado, entre otros factores, con diferencias de presión
rurPPgrad r⋅
∆∆
=→
Gradientes de presión ⎯ → +
rur
El aire tiende a desplazarse CONTRA el gradiente de
presión
1024
10201016
Magnitud escalar
-grad P
Escalar
Posición
××
×
×
×
×
××
××
DIRECCIÓN DEL GRADIENTE:LA DE MÁXIMA VARIACIÓN DE LA PROPIEDAD ESCALAR
falta considerar la rotación de la Tierra!... pero
31
Ambiental
Física
EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRAω
Rv
Rv×ω2
Rv×− ω2
Polo Norte ( )rvaa RR ××+×+= ωωω2
CentrípetaCoriolis
Aceleración medida en sistema en rotación
Aceleración medida en sistema en reposo
( )rvaa RR ××−×−= ωωω2
ω
RvRv×− ω2
Trayectoria en un sistema de referencia inercial
Trayectoria en un sistema de referencia acelerado
32
Ambiental
Física
DESVIACIÓN DE CORIOLISVisto sobre la superficie
ω
Rv×− ω2
Rv×ω2
Desviación a la derecha respecto al sentido del movimiento
Rv×ω2Rv×− ω2
ω
Desviación a la izquierda respecto al sentido del movimiento
N
S
Rv
Rv
Sentido del movimiento
Desviación de Coriolis
HEMISFERIO NORTE
HEMISFERIO SUR
Desviación de Coriolis
Sentido del movimiento
33
VIENTO GEOSTRÓFICO
1016
1020
1024
-grad P
Fuerza gradiente de presión
Fuerza Coriolis
Dirección del viento
Rv×− ω2
Hemisferio norte: el viento geostrófico fluye paralelo a las isobaras dejando a su derecha las áreas de alta presión: sentido horario alrededor de los anticiclones
Viento geostrófico: resultante del equilibrio
entre el gradiente de presión y la aceleración
de Coriolis. Fluye PARALELO a las
isobarasHemisferio sur: el viento geostrófico fluye paralelo a las isobaras dejando a su izquierda las áreas de alta presión: sentido antihorario alrededor de los anticiclones
Ambiental
Física
34
Hemisferio Norte:la fuerza de Coriolis provoca desviación hacia la derecha
A
En los anticiclones los vientos giran en sentido horario
B
En las borrascas los vientos giran en sentido antihorario
ANTICICLONES Y BORRASCAS
Hemisferio Sur:la fuerza de Coriolis provoca desviación hacia la izquierda
AEn los anticiclones los vientos giran en sentido antihorario
B En las borrascas los vientos giran en sentido horario
Ambiental
Física
35
Ambiental
Física
CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA
11 Célula polar 22 Célula de Ferrell 33 Célula de HadleyModelo simple
BBBB Convergencia Intertropical
BB BB
BBBB
AA AAAA
AA AAAA
11
22
33
Vientos polares del este
Alisios del noreste
Vientos del oeste
Alisios del sureste
Vientos del oeste
Vientos polares del este
Aire descendente en los polos fríos y ascendente en las latitudes ecuatoriales cálidas
NO TIENE EN CUENTA LA ROTACIÓN DE LA TIERRAEsquema de circulación atmosférica basado enhttp://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Trade_Winds/Trade_Winds.html
36
Ambiental
Física
VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
Círculo Polar Ártico
Círculo Polar Antártico
ÁRTICO ANTÁRTICO
Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida
37
Ambiental
Física
VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (CAPA LÍMITE)
El viento se caracteriza por su dirección (desde la cual sopla) y velocidad(magnitud vectorial,tres dimensiones). Normalmente se expresa en m/s.Los equipos que miden la velocidad del viento se llaman anemómetros
La fricción con la superficie terrestre hace que las capas más cercanas a la superficie circulan más lentas, generando un efecto de corte (cizalla) sobre la superficie (vegetación, suelo,…).
La fricción es un proceso en el que interviene el viento y las característicasde la superficie a través de la capa límite
La fricción del aire con la superficie es uno de los mecanismos que generanturbulencia (turbulencia mecánica), esto es remolinos, que transportan calor, vapor de agua, CO2 y cantidad de movimiento.
38
Ambiental
Física
VARIACIÓN DIARIA DE LA CAPA LÍMITE
Calentamiento superficial
Mezclado capa límite
Incremento continuo espesor capa límite
Puesta de SolSalida del Sol
Valores típicos al final de la tarde ≈ 1 km (0.2 km - 5 km)
Reducción o desaparición turbulencias
Reducción espesor capa
límite
Comienzo noche
Valores típicos ≈ 100 m (20 m - 500 m)
Enfriamiento del suelo
El viento, la temperatura y demás propiedades de la capa límite sufren
variaciones diarias menos acusadas sobre superficies extensas de agua (océanos y
grandes lagos) debido a la mayor capacidad calorífica de la capa de mezcla
sobre tales superficies.1 km
(0.2
km
-5 k
m)
100 m (20 m - 500 m)
39
Ambiental
Física
VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (2)
Perfil de velocidades
Debe especificarse la altura a la que se sitúen los anemómetros sobre el suelo: en agrometeorología la altura estándar esde 2 m.
El perfil de velocidades es logarítmico.
Una superficie especial: una superficiede gramíneas homogénea (cesped, porejemplo). Encima de esta superficie el perfil de velocidades es
( )87.4
42.58.67ln2
−=
zuuz
u2 velocidad del viento a una altura de 2 m (m/s)
uz velocidad del viento a la altura z (m/s)
z altura sobre la superficie del suelo (m)
La velocidad del viento depende de la altura sobre el suelo
40
TEMPERATURA
Temperatura T♦ Es la magnitud física que tiene el mismo valor en dos cuerpos que se hallan en equilibrio térmico (ausencia de transferencia neta entre ellos de energía en forma de calor).
La temperatura se mide con termómetros.
Unidad SI Kelvin (K)
Grado centígrado (ºC) K = ºC + 273.15
Se define el Kelvin como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua
CASOS ESPECIALESTemperatura del aire: perfil vertical
PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECOLa variación de la temperatura del aire con la altura en la atmósfera es el gradiente vertical de temperaturas (air lapse rate).
EN LA ATMÓSFERA ESTÁNDAR
⎠⎞
⎜⎝⎛−
kmK
kmCº
dzdT
Conversor de temperaturas:http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/temperatura.htm
kmCº 8.9 =−
dzdT
kmCº 5.6 =−
dzdT
Ambiental
Física
41
Ambiental
Física
TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas Temperatura media diaria Tm
2minmax
mTTT +
=Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
18
20
22
24
26
28
30
32
Tem
pera
tura
(ºC
)
Hora
0 200 400 600 800 1000 1200
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1400
Tem
pera
tura
(ºC
)
Hora
med
iodí
a
med
iodí
a
Día de verano Día de invierno
Tmin
TmaxTmax
Tmin
El momento en que se alcanza la temperatura máxima diaria estádesfasado respecto al medidodía solar
42
Ambiental
Física
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS
DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD
30 35 40 45 50T (ºC)
08:0010:00
05:00
12:00
15:00
18:00
Altura
15 cm30 cm
60 cm
1.20 m
10.0 m
2.40 m
-2 cm-5 cm
-15 cm
Perfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)
Consecuencia de efectos de mezclado en la capa límite
43
Temperatura y desarrollo biológico
El desarrollo de los organismos vivos está relacionado con la temperatura. Las hipótesis más usuales son:
El ritmo de desarrollo es proporcional a la temperatura♦
El desarrollo ocurre cuando se supera una temperatura umbral o temperaturabase, Tb, que depende de cada organismo. Para temperaturas por debajo de Tbse detiene el desarrollo.
♦
La temperatura no supera el valor para el que se produce el máximo crecimiento, Tm. Temperaturas superiores a Tm podrían inhibir o detener completamente el crecimiento.
♦
Tiempo térmico (grados-día, grados-hora,…) [tiempo fisiológico]
Si se combina la temperatura y el tiempo durante el cual el organismo estáexpuesto a dicha temperatura se puede encontrar una escala en la cual el ritmo de desarrollo es constante.
Ambiental
Física
44
Ambiental
Física
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS. Grados día
Tiempo térmico (Grados-día, grados-hora,…)
∆τ = (Ti – Tb) ∆t para Ti > Tb, en otro caso ∆τ =0
∆τ tiempo térmico [grados-día, grados-hora,…dependiendo del intervalo temporal considerado]
Ti temperatura media en el intervalo temporal considerado Tb temperatura umbral por debajo de la cual se interrumpe el crecimiento ∆t intervalo temporal considerado [día, hora,…]
Para el caso específico de intervalo diario, ∆t = 1 día
∑=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=∆n
i i
TbTT1 2
minmaxτ 2minmax TT + > TbSi
∆τ [grados-día]
45
Ambiental
Física
Temperatura y desarrollo biológico (3)
Un cultivo tiene una temperatura base de 11ºC y requiere de un tiempo térmico de 40 grados-día para su emergencia. ¿Qué día germinará si ha sido plantado el día188?. Usar los datos de la tabla.
EJEMPLO
Día Tmax Tmin
188 23,3 12,2189 23,9 9,4190 17,2 6,1191 21,1 7,8192 23,3 10,6193 29,4 12,8194 22,6 13,3195 15,0 5,6196 18,9 6,7197 17,2 10,0198 20,0 8,3199 25,6 10,0
6,812,413,116,522,532,639,5
41,343,947,153,9
41,3-0,7
17,816,711,714,517,021,118,010,312,813,614,217,8
Ti
6,85,70,63,56,0
10,17,0
-0,71,82,63,26,8
Ti -Tb ΣPeriodo diario, usamos:
∑ ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=∆=
n
ib
i
minmax TTT1 2
τ
i
minmaxi
TTT ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=2
PRIMER VALOR > 40 ºC·DÍA196
Día de germinación del cultivo
46
Ambiental
Física
EL AGUA EN LA TIERRA, HIDROSFERA, EL AGUA EN LA ATMÓSFERA
PRECIPITACIÖNContenido de vapor de agua en la atmósfera
Limitada capacidad de retener agua en estado vapor
Saturación y condensación. Nubes
Precipitación y formación de océanosHidrosfera
http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/3.htmlInterdependencia del sistema
atmósfera / hidrosfera
47
Ambiental
Física
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera.
0.62
97% Océano 97%
Hielo 2.4%
Otros 0.6%
0.17%3.3
7%Subsuelo 97%
Ríos y lagos 3,3%
Atmósfera 1,7%
Masa 1.36·1021 kg
Contenido actual de la hidrosfera:dos órdenes de magnitud INFERIORal agua inyectada en ella
* Filtraciones en puntos de subducción* Fotodisociación UV
Déficit
OcéanosHielo
97 %2,4 %
Subsuelo 0,6 %Ríos y lagos 0,02 %Atmósfera 0,001 %
48
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera (2).
Manto superior
Corteza oceánica
Corteza continental
Océano
Zona de subducción
Ambiental
Física
Filtraciones hacia el manto
FILTRACIONES DE AGUA HACIA EL MANTO
49
Ambiental
Física
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Fotodisociación agua
FotodisociaciónMolécula de agua
OOHH
HHOO
HH
HH
Alta atmósfera, condiciones de baja presión
Producción de radicales, recombinación formando especies nuevas. En especial el hidrógeno tiende a escapar.
Fotones de alta energía
HH
OOHH
OOHH
HH104º
50
Ambiental
Física
CICLO DEL AGUA
Océanos
Atmósfera
1350·1015 m3
13·1012 m3
Evap
orac
ión
361·
1012
m3 /a
ño
Prec
ipita
ción
324·
1012
m3 /a
ño Tierras33.6·1015 m3
37·1
012m
3 /año
Agu
as
supe
rfic
iale
s y
subt
errá
neas
Evaporación y transpiración
62·1012 m3/año
99·1012 m3/año
Precipitación
62·1012 m3/año361·1012 m3/año
423·1012 m3/año
324·1012 m3/año99·1012 m3/año
423·1012 m3/año
BALANCE ATMÓSFERA
Basado enhttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/hyd/bdgt.rxml
51
CICLO HIDROLÓGICO
Ambiental
Física
Britannica,2004
52
PRECIPITACIÓN
LLUVIA
Caída enla superficie
Evaporada enla atmósfera
Interceptada porla vegetación
Drenadahacia el suelo
Almacenamientoy evaporaciónCorrientes
superficialesEstancadas yevaporadas
Infiltradaen suelo
Percolaciónprofunda
Retenidaen suelo
Almacenamientosubterráneo
Crecimientovegetación
No usadavegetación
No usada
Ambiental
Física
53
Ambiental
Física
PRECIPITACIÓN. SU MEDIDA
1 m
1 m
1 m2
1 litro1 mm PLUVIÓMETRO
Los pluviómetros lectura directa tienen un recipiente y un embudo. Cada 12 horas se vacía el recipiente en una probeta graduada con una sección diez veces menor que la de recepción, con lo que es posible establecer una relación entre la altura en la probeta y la precipitación en milímetros por metro cuadrado.
PRECIPITACIÓN EN MILÍMETROS = LITROS / m2
54
Ambiental
Física
PRECIPITACIÓN. EJEMPLO
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO
1940-1960 26 25 32 38 50 28 8 18 35 47 22 28 3571961-1990 24 26 30 52 41 38 9 13 25 40 39 30 366
1991-2000 19 28 22 28 47 35 13 11 49 39 28 34 354
2001 29 14 18 17 62 0 0 0 25 37 37 28 267
2002 13 2 31 65 51 63 0 24 28 38 33 26 374
ALBACETE/LOS LLANOS
Coordenadas: 39-00-25N 1-57-08W Altitud: 704m
Datos de precipitación (mm)
http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
55
Ambiental
Física
MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS LLANOS
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC0
10
20
30
40
50P
reci
pita
ción
(mm
)
Meses
B C D
1940-19601961-19901991-2000
Fuente: datos en http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
56
PrecipitaciPrecipitacióónn
RadiaciRadiacióón Solarn Solar
VientoVientoCOCO22
OO22
FotosFotosííntesis ntesis RespiraciRespiracióónn
IntercepciIntercepcióónn
InfiltraciInfiltracióónn
Goteo desde la Goteo desde la vegetacivegetacióónn
Suelo:Aguadisponible, nutrientes
Planta
Atmósfera
Evaporación
Transpiración
Percolación
Nivel freático
Zona no saturada
Zona saturadaRecarga y flujo
subterráneo
Ascenso capilar
Franja capilar
Escorrentía
Flujos de aguay de …en la superficieterrestre
57
Ambiental
Física
BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN
Libros (inglés)
S. Pal Arya, Introduction to Micrometeorology, 2th Edition. University Press.
Roland B. Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers
John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press
Revisión general sobre características de la atmósfera (muy completo; idioma inglés)http://ceos.cnes.fr:8100/cdrom-98/ceos1/science/dg/dgcon.htmLa atmósfera en capítulo 3 y ciclos de los elementos en capítulo 4.http://www.esi.unav.es/asignaturas/ecologia/Hipertexto/00General/IndiceGral.html
Discusión sobre el origen del oxígeno atmosférico: http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/10.html
Sobre CO2 en la atmósfera (idioma inglés):http://www.iitap.iastate.edu/gccourse/chem/gases/gases_lecture_es.html
Sobre aceleración de Coriolis (idioma inglés)http://zebu.uoregon.edu/~js/glossary/coriolis_effect.htmlhttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/fw/crls.rxml
Sobre anticiclones y borrascashttp://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/anticicl.htmhttp://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/borrasca.htm