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