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BALANCE DE MASA Y CALOR
Balance radiativo del océano
Evaporación y precipitación
Cuencas de evaporación y precipitación
Flujos meridionales de agua y calor
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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El balance de calor en la tierra
radiación de onda corta
dispersión
aire y nubes
al océano reflejada
radiación de onda larga
al espacio
a la atmósferaabsorción atmos.
Procesos fotosintéticos
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Qs + Qr + Qc + Qe + Qa = QQs + Qr + Qc + Qe + Qa = QQs + Qr + Qc + Qe + Qa = QQs + Qr + Qc + Qe + Qa = QTTTT
El balance de calor en el océano
radiación de onda larga
a la atmósfera
Procesos fotosintéticos
QcQeQr
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Ley de Stefan – Boltzmann
W = σσσσ T4, σ = 5.6696x10-8 J/ (m2 s K4)
Si T = 5776 K (sol), W = 6.31 x 107 W/m2
Si T = 288 K (Tierra), W = 390 W/m2
Si T = 310 K (nosotros), W = 525 W/m2
Radiación
Ley de Wien
λλλλmax = b/T , b = 2.89777 x 10-3 m K
Si T = 5776 K, λmax = 5 x 10-7 m = 0.5 µm
Si T = 288 K, λmax = 1 x 10-5 m = 10 µm
Si T = 310 K, λmax = 0.9 x 10-5 m = 9 µm
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Radiación
Espectro de radiación en función de la temperatura, en unidades arbitrarias de energía
Espectro de radiación emitida por la tierra en el tope de la atmósfera, en la isla de Guam, en unidades arbitrarias de energía
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
27.85°C2.85°C
-22.15°C-47.15°C-72.15°C
Ene
rgía
Rad
iant
e (u
nida
des
arbi
trar
ias)
Número de onda (cm)
Longitud de onda (cm)
Flu
jo d
e en
ergí
a (u
nida
des
arbi
trar
ias)
6000 K
300 K
3 K
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Qs depende de:
• la longitud del día
• la absorción atmosférica (función del coeficiente de absorción que depende del contenido de vapor de agua, polvo en suspensión, etc.) y de la elevación del sol,
• la nubosidad, expresada en octas O conduce a reducción de Qs del orden (1 - 0,09 O).
4º (50% cubierto)� Qs=64%
8º (100% cubierto)� Qs=28%
• la radiación del cielo.
• la reflexión de la superficie del mar.
•el hielo y la nieve conducen a un aumento de la cantidad de energía reflejada de 10 a 15% a 50 a 80%
Radiación de onda corta
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Distribución espacio-temporal de la radiación solar Qs
Sin nubes, 70% transmisión
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Figure 3. Daily means of cloudiness, incident short-wave radiation, and incoming long-wave radiation on Antizana Glacier 15, 4890 m asl, between 14 March 2002 and 14 March 2003. Also shown is the top of atmosphere solar irradiance reduced by 50 W m−2. Thick lines are the 15-day running means. The shaded and white areas refer to two distinct periods of the year, P1 (1 June 2002 to 15 October 2002) and P2 P2 (14 March 2002 to 31 May 2002 and 16 October 2002 to 14 March 2003). Favier et al 2004 http://www.agu.org/journals/jd/jd0418/2003JD004359/
0º - 78ºW - ~ 4890 m
Nub
osid
adR
adia
ción
de
onda
co
rta
(W m
-2)
Glaciar Antisana 15, Ecuador
Tope de la atmósfera (W m -2)
Observaciones I
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
Promedios diarios
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Radiación de onda corta (W m-2)
Radiación de onda larga (W m-2)
http://uop.whoi.edu/projects/Stratus/stratus.html
Observaciones II
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Radiación de onda corta
Media diaria 41°S - 60°W(NCEP)
Año 2011
Qs
Qs
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Radiación solar incidente en el tope de la atmosfera (W/m2) en marzo 2013. Sólo varia en función del ángulo de incidencia de los rayos del sol.Derivadas del sensor AVHARR del satélite NOAA-19.
Radiación de onda corta
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http://www.osdpd.noaa.gov/data/radbud/ase19_prd.gif
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Nubosidad
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Nubosidad (ayer, 17:45z, 14:45 local)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
http://www.goes.noaa.gov/FULLDISK/GEVS.JPG
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Nubosidad media anual en %
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Nubosidad estacional en %
~ 85%
~ 25%
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Nubosidad estacional en %
CRU-05 Climate Research Unit, University of East Anglia
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Radiación de onda corta (Qs, anual)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Qr es el balance entre la energía radiada del mar hacia la atmósfera y la energía radiada de la atmósfera al mar (proporcional a la cuarta potencia de la temperatura del aire). La energía radiada por la atmósfera es función, esencialmente, del contenido de vapor de agua del aire sobre la superficie del mar.
Qr es función de la temperatura, por lo tanto no presenta variaciones temporales o estacionales significativas.Si ∆T estacional = 8ºC la variación de Qr será prpoporcional a 2904/2824 = 1.12
Qr depende de :la nubosidad, expresada en octas O conduce a reducción de Qr delorden (1 - 0,1 O). La nubes aumentan la cantidad de energía de onda larga radiada de la atmósfera al océano.
Radiación de onda larga
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Radiación solar incidente en el tope de la atmosfera (W/m2). Sólo varia en función del ángulo de incidencia de los rayos del sol.
Todos los productos son derivados del sensor AVHARR del satélite NOAA-19.
Radiación solar absorbida (W/m2), es la diferencia entre la radiación entrante y saliente en el tope de la atmosfera.
Radiación de onda larga (W/m2)
http://www.osdpd.noaa.gov/ml/air/rad_budget.html#ABS
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Media diaria 41°S - 60°W(NCEP)
Qs
Qr
100
W/m
2
100
W/m
2
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Radiación de onda larga (Qr, anual)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Radiación de onda larga (Qr, estacional)
dic-feb
jun-ago
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Radiación de onda larga desde la superficie del mar en función de la temperatura superficial y la humedad relativa sobre la superficie en ausencia de nubes.
Radiación de onda larga
Las cosas no siempre son lo que parecen a primera vista…
Temperatura (°C)
Hum
edad
rel
ativ
a (%
)
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Figure 3. Daily means of cloudiness, incident short-wave radiation, and incoming long-wave radiation on Antizana Glacier 15, 4890 m asl, between 14 March 2002 and 14 March 2003. Also shown is the top of atmosphere solar irradiance reduced by 50 W m−2. Thick lines are the 15-day running means. The shaded and white areas refer to two distinct periods of the year, P1 (1 June 2002 to 15 October 2002) and P2 P2 (14 March 2002 to 31 May 2002 and 16 October 2002 to 14 March 2003). Favier et al 2004 http://www.agu.org/journals/jd/jd0418/2003JD004359/
0º - 78ºW - ~ 4890 m
Nub
osid
adR
adia
ción
de
onda
co
rta
(W m
-2)
Rad
iaci
ón d
e on
da
larg
a (
W m
-2)
Glaciar Antisana 15, Ecuador
Tope de la atmósfera (W m -2)
Observaciones I
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Radiación de onda corta (W m-2)
Radiación de onda larga (W m-2)
http://uop.whoi.edu/projects/Stratus/stratus.html
Observaciones II
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Qc = - Cp K dT/dz
Es proporcional al gradiente vertical de temperatura en el aire sobre la superficie del mar. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de conductividad del calor turbulento.
Cuando el aire tiene menor temperatura que el agua la atmósfera se inestabiliza, produciendo convección y se incrementa el flujo de calor hacia la atmósfera.
Flujo de calor sensible
SST > TaireSST > Taire
inestable
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Flujo de calor sensible
Qc
100
W/m
2
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo de calor sensible (Qc anual)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo de calor sensible (Qc estacional)
dic-feb
jun-ago
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Estructura esquemática de la interface entre el aire y el agua. Las esferas rojas representan átomos de Oxígeno y las blancas de Hidrógeno. This image, taken from a classical molecular-dynamics simulation, reveals the features of liquid water at an air–water interface. Most water molecules form hydrogen bonds to each other, but some at the surface do not (these are known as dangling bonds). Stiopkin et al.1 report evidence that the surface has a depth of only one layer of molecules, contradicting theories that interfaces with water impose long-range order deep into the bulk liquid. (de Jungwrith, P., Nature, 474, 2011).
La interface aire-agua
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Qe = Fe Lt
La evaporación requiere de una cierta cantidad de calor. La misma es proporcional a la masa de agua evaporada por unidad de tiempo (Fe, medida en Kg de agua evaporados por segundo) y al calor latente de evaporación Lt
Lt = 2494 - 2.2 T kJ/Kg
donde T es la temperatura del agua en °C.
En la práctica la determinación precisa de Fe es muy dificultosa y el flujo es estimado en función del gradiente vertical del contenido de humedad en el aire (q) en forma similar a la estimación del flujo de calor sensible:
Qe = K dq/dz
Flujo de calor latente
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo de calor latente
Qe
100
W/m
2
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo de calor latente (Qe anual)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo de calor latente (Qe estacional)
ene
jul
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Balance neto (Qs+ Qr+ Qc+ Qe , anual)
(a través de la superficie del mar)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo de calor geotérmico: Notar que los valores máximos (mayores que 85 mW/m2) se observan en las dorsales oceánicas, donde asciende material a mayor temperatura hasta la superficie de la corteza oceánica.
Comparación del flujo de calor neto superficial y
el flujo de calor a través del fondo marino
0.3 W/m2
100 W/m2
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Temperatura superficial
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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(des) balance de calor en la Tierra
Norte Sur
W/m
2
-250
250
1015W
5
-5
Flujo m
eridional de calor
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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(des) balance de calor en el océano global
Qe
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo meridional de calor
Qm = ρ0 Cp T v A
océano
atmósfera
vA
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Flujos meridionales de calor oceánico observado
Flujos meridionales de calor oceánicos globales (PW).
Ganachaud & Wunsch, Nature 2000
Keith, Tellus, 1995
Trenberth & Solomon, Clim.Dyn., 1994
* MacDonald & Wunsch, Nature, 1996
Garnier et al., Int.J.Climat., 2000
Heras & Schlitzer, J.Geophys.Res., 1999
Bryden et al., Deep-Sea Res., 1991
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo meridional de calor oceánico
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
![Page 44: BalanceCalor Masa](https://reader031.vdocumento.com/reader031/viewer/2022032016/55cf92d8550346f57b9a06f7/html5/thumbnails/44.jpg)
El Atlántico, un océano “anormal”?
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
![Page 45: BalanceCalor Masa](https://reader031.vdocumento.com/reader031/viewer/2022032016/55cf92d8550346f57b9a06f7/html5/thumbnails/45.jpg)
El balance de agua
F = P – E + R
Atmósfera 12.7
Tierra42 000
Océanos1 335 040
Precipitación11.83
Evaporación13.10
Precipitación3.58
Evapo-trasp.2.31
Ríos1.27
Unidades: reservorios en 103 Km3. Flujos en 106 m3 / s
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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El balance de agua (detalles)
Trenberth et al., J. Hydromet., 2007
Unidades: reservorios en 103 Km3. Flujos en 103 Km3 / año
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
![Page 47: BalanceCalor Masa](https://reader031.vdocumento.com/reader031/viewer/2022032016/55cf92d8550346f57b9a06f7/html5/thumbnails/47.jpg)
103 km3/año Sv %
Evaporación -413 -13.1 85
Precipitación 373 11.9 77
Ríos 40 1.3
Neto 0 0.0
Evaporación -73 -2.3 15
Precipitación 113 3.6 23
Ríos -40 -1.3
Neto 0 0.0
Océ
ano
Con
tinen
tes
El balance de agua (detalles)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Evaporación
(mm/3h ≈ 29 cm/año)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Precipitación
(mm/3h ≈ 29 cm/año)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Evaporación – Precipitación
Media anual (mm/día )
(5 mm/día ≈ 182.5 cm/año)
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Evaporación – Precipitación (mm/día)
Trenberth et al., J. Hydromet., 2007
Calculo a partir del balance de humedad en la atmósfera
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Océano Fs(106 m3/s)
Atlántico -0.69
Indico -0.64
Pacífico .051
Ártico .08
Flujos totales de masa por cuenca
al norte de 30ºS
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Salinidad superficial
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(des) balance de agua en el océano
EP
S
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo meridional de “agua dulce” oceánico
109 ktg/s
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Flujo meridional de “agua dulce” oceánico
Oceanografía General /Oceanografía Física – 5. Balance de calor y de masa
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Flujo meridional de “agua dulce” Atlántico
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Conservación de la masa y el calor y sal
Q1 Q2
Q
Q1 + Q2 + Q = 0
Qi = mi ρ Cp Ti donde m = transporte de volumen (m3/s)
m1 m2
F = P – E + R
m1 + m2 + F = 0
m1 S1 + m2 S2 = 0
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Flujo de flotabilidad (anual)
B = g ρ α FT + β FS, α = 1/ ρ (∂ρ / ∂T), β = 1/ ρ (∂ρ / ∂S)
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