Introducción a las Ciencias de la Atmósfera y los Océanos

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Introducción a las Ciencias de la Atmósfera y los Océanos

Calentando la Tierra y la Atmósfera

M. Elizabeth Castañeda 2011

(2)

Energí Energ í a es la habilidad para realizar a es la habilidad para realizar

trabajo (empujar, tirar, levantar) sobre trabajo (empujar, tirar, levantar) sobre

alguna forma de materia.

La La energ energ í í a potencial a potencial es el potencial de es el potencial de

realizar trabajo (masa x gravedad x altura) realizar trabajo (masa x gravedad x altura)

La La energ energ í í a cin a cin ética é tica es la energ es la energ í í a de un a de un

objeto en movimiento (la mitad de la masa objeto en movimiento (la mitad de la masa

x velocidad al cuadrado)

(3)

Energ Energ í í a cal a cal ó ó rica: rica forma de energ forma de energ í í a que se a que se transfiere entre las part

transfiere entre las partí ículas en una culas en una sustancia (o sistema) por medio de la sustancia (o sistema) por medio de la energ

energ í í a cin a cin ética de las part é tica de las part í í culas. En otras culas. En otras palabras, seg

palabras, seg ú ú n la teor n la teor í í a cin a cin é é tica, el calor tica, el calor es transferido por las part

es transferido por las partí í culas chocando culas chocando unas entre otras.

unas entre otras.

Energ Energ ía radiante í a radiante. .

(4)

La energía no puede ser creada ni destruida.

Ley de Conservación de

Energía, o Primera Ley de la

Termodinámica.

(5)

Temperatura y Calor Transferido

Medida de la energía cinética media de los átomos y las moléculas.

Medida de la velocidad media de los átomos y las moléculas, donde las mas altas temperaturas corresponden a

velocidades medias mayores.

(6)

Temperatura y Calor Transferido

Aire frío Aire caliente

(7)

Temperatura y Calor Transferido

La atmósfera contiene energía interna, que es la energía total almacenada en sus moléculas.

+ =

(8)

Temperatura y Calor Transferido

La atmósfera contiene energía interna, que es la energía total almacenada en sus moléculas.

El calor es la energía en el proceso de su transferencia de un objeto a otro, o de una parte de un objeto a otra, debido a una diferencia de temperatura.

Después de ser transferido, el calor se almacena como

energía interna.

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Escalas de Temperatura

Anders Celsius (1701 - 1744)

Daniel Fahrenheit (1686 - 1736)

Lord Kelvin (1824-1907)

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Las relaciones entre las escalas son:

°F = (1.8 x °C) + 32 °C = (°F – 32) / 1.8

°C = K – 273 K = °+ 273

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Calor Específico

La capacidad calorífica de una sustancia es el cociente entre la cantidad de energía calórica absorbida por la sustancia y su correspondiente aumento de temperatura.

Calor especifico: capacidad calorífica de una sustancia

por unidad de masa.

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Calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de

sustancia en 1 grado Celsius.

Caloría es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 g de agua desde 14.51°C a 15.51°C.

794 0.19

Granito

795 0.19

Arena

1005 0.24

Aire seco (a nivel del mar)

1381 0.33

Arcilla

2093 0.50

Hielo (°C)

2512 0.60

Barro

4186 1.00

Agua (pura)

J (KG x °C) Calor especifico

(Cal/g x °C)

Sustancia

(13)

Calor Latente

Cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo al cambiar de estado.

Durante el cambio de estado no se modifica la temperatura del cuerpo.

(14)

Calor Sensible

Cantidad de calor que cede o

absorbe un cuerpo sin cambiar de estado. Puede ser detectado a través del cambio de temperatura

del cuerpo.

(15)

Calor sensible

(16)

Calor necesario para la

evaporación (líquido gas)

Calor latente de evaporaci

Calor latente de evaporaci ó ó n n

(17)

Calor necesario para la fusión (sólido líquido)

Calor latente de fusi

Calor latente de fusi ó ó n n

(18)

La transferencia de calor puede realizarse a La transferencia de calor puede realizarse a trav trav é é s de tres mecanismos f s de tres mecanismos f í í sicos: sicos:

• • Conducci Conducci ó ó n n

• • Convecci Convecci ó ó n n

• • Radiaci Radiaci ó ó n n

(19)

Es la transferencia de calor de una mol

Es la transferencia de calor de una mol é é cula a cula a otra en una sustancia

otra en una sustancia

Conducci

Conducci ó ó n: n:

(20)

- - La energí La energ ía viaja de lo caliente a lo fr a viaja de lo caliente a lo frí í o. o.

- - El aire es un mal conductor, el metal es un buen El aire es un mal conductor, el metal es un buen conductor.

conductor.

Conducci

Conducci ó ó n: n:

(21)

La capacidad de conducci

La capacidad de conducció ón del calor es diferente para los n del calor es diferente para los distintos y depende de las caracter

distintos y depende de las caracterí í sticas moleculares de sticas moleculares de cada uno.

cada uno.

aire 0.023

madera 0.08

suelo seco 0.25

agua 0.60 (20°C)

nieve 0.63

suelo húmedo 2.1

hielo 2.1

granito 2.7

hierro 80

plata 427

material

Conductividad

(Watt m-1 °C-1)

(22)

La conducción de calor es importante sólo entre la superficie terrestre y el

aire en contacto inmediato con la superficie.

Por lo tanto, el aire es un

Por lo tanto, el aire es un mal conductor mal conductor del calor. del calor.

(23)

Convecci

Convecci ó ó n: n:

Es la transferencia de calor por el movimiento de masa de un fluido

(como el agua y el aire).

Este tipo de transferencia de calor tiene lugar en líquidos y gases, ya que pueden moverse

libremente y es posible la creación de corrientes

dentro de ellos.

(24)

Térmicas

Circulación convectiva

(25)

En nuestra atmósfera, el aire que asciende se expande y se enfría, y el aire que desciende se

comprime y se calienta.

(26)

Radiación

• La energía del sol se desplaza por el espacio y la atmósfera en forma de una onda (ondas

electromagnéticas) y se llama radiación.

Debido a que estas ondas tienen propiedades magnéticas y eléctricas, se llaman ondas electromagnéticas.

• En vacío, estas ondas viajan a una velocidad de

300.000 km/s (velocidad de la luz).

(27)

En física, una onda es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio

•Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.

•Período: El periodo es el tiempo que tarda la onda de ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.

•Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha vibración en otras palabras es una simple repetición de valores por un período determinado.

•Longitud de onda: Distancia que hay entre dos crestas

consecutivas.

(28)

onda

distancia

A

λ : longitud de onda A: amplitud

frecuencia Periodo = 1

Frecuencia angular

f 2

ω

T π = ² π

=

f(x,t) = Asin(ωt − kx)) Número de

onda 2

k λ

= π

k f c ω

f k ω

λ λ

=

(29)

frecuencia (f) = n

frecuencia (f) = n ú ú mero de crestas que pasan mero de crestas que pasan por un punto dado en 1

por un punto dado en 1 seg seg

cuanto mayor es la longitud de onda menor es su frecuencia

c = λ f

(30)

(31)

Todas las cosas, sin

importar cuán grandes o pequeñas sean, emiten radiación. El aire, nuestro cuerpo, flores, árboles, la Tierra, las estrellas, etc. La energía se origina de la rápida vibración de los

billones de electrones que componen cualquier

objeto.

(32)

Ley de Stefan-Boltzmann

Describe la energía total emitida por un cuerpo,

directamente proporcional a la potencia cuarta de la temperatura.

Josef Stefan (1835 - 1893)

Ludwig Boltzmann (1844 - 1906)

I I = = σ σ T T ⁴ ⁴

Unidades: Densidad de flujo Unidades: Densidad de flujo en W/m en W/m ² ² , T en Kelvin , T en Kelvin

constante de Stefan constante de Stefan- -Boltzman Boltzman ( ( σ) = 5.67 x 10 σ ) = 5.67 x 10 ^-8 ^- ⁸ Wm Wm ^- ^-2 ² K K ^- ^-4 ⁴

(33)

El sol irradia mas energía que la Tierra (el área bajo la curva).

Además, irradia la mayor parte de su energía en longitudes de

onda mucho más cortas.

(34)

Ley de Wien

• Describe la longitud de onda de máximo de

energía emitida.

Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (1864 - 1928)

λ λ _max _max = = β β / T / T

β β = 2897.7 = 2897.7 µm µ m K K , , T en Kelvin

T en Kelvin

(35)

Aunque el Sol irradia a una tasa máxima en una longitud de onda particular, sin

embargo emite algo de radiación en casi todas las otras longitudes de onda . Si

vemos la cantidad de radiación emitida por el sol en cada longitud de onda,

obtenemos el espectro electromagn espectro electromagné ético del Sol tico del Sol.

(36)

Alrededor del 44% de la energ

Alrededor del 44% de la energ í í a del Sol es emitida en a del Sol es emitida en longitudes de onda en la regi

longitudes de onda en la regió ón n vi v is s ib i b le l e. M . Má áximo en ximo en azul- azul -verde verde. .

La longitud de onda m

La longitud de onda m á á s corta dentro del visible s corta dentro del visible corresponde al color

corresponde al color violeta violeta (0.4 (0.4 mm). mm).

Longitudes de onda m

Longitudes de onda má ás cortas que el s cortas que el violeta violeta son las son las longitudes de ondas

longitudes de ondas ultravioletas ultravioletas. . La longitud de onda m

La longitud de onda m á á s larga dentro del visible s larga dentro del visible corresponde al color

corresponde al color rojo rojo . . Longitudes de onda m

Longitudes de onda m á á s largas que el s largas que el rojo rojo son las son las longitudes de ondas

longitudes de ondas infrarrojas infrarrojas (IR). (IR).

(37)

La radiación solar que llega a la atmósfera puede ser dispersada,

reflejada o

absorbida por sus componentes.

(38)

CUERPO NEGRO CUERPO NEGRO

Es un cuerpo que emite (o absorbe) radiación electromagnética con un 100% de eficiencia en todas las longitudes de onda.

La superficie terrestre y el Sol absorben y emiten

radiación con una eficiencia cercana al 100% y pueden ser considerados cuerpos negros.

La radiación emitida por un cuerpo negro se

denomina radiaci radiaci ó ó n de cuerpo negro n de cuerpo negro . .

(39)

FLUJO FLUJO

Es la cantidad de energía o material que atraviesa un área determinada en forma perpendicular en

una unidad de tiempo. Depende de la distancia a la

fuente de energía.

(40)

min min ]

[

1855 .

4 1

1 1

2 2

2 2 2 2

2 ly cm

cal m

s J m

W

area

energia de

Flujo Intensidad

o Flujo de

Densidad

seg Watt Joule Flujo

tiempo energia energia

de Flujo

Joules caloria

s m m kg

s kg m Joule

s kg m Fuerza

Newton

× =

× ≈

=

≈

=

×

≈

×

=

×

=

×

≈

×

=

distancia n

aceleracio masa

distancia Fuerza

n

aceleracio

masa

(41)

Ley del cuadrado inverso Ley del cuadrado inverso

La cantidad de radiación que pasa a través de un área

específica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de esa zona de la fuente de energía. Este

fenómeno se llama la Ley del

inverso del cuadrado. Con

esta ley podemos modelar el

efecto que tiene la distancia

recorrida en la intensidad de

la radiación emitida por un

cuerpo como el sol.

(42)

Ley del cuadrado inverso Ley del cuadrado inverso

S = S _o (r _o / r)2

(43)

Absorbentes selectivos

Los buenos absorbentes son buenos emisores en una Los buenos absorbentes son buenos emisores en una

longitud de onda particular, y los pobres absorbentes son longitud de onda particular, y los pobres absorbentes son pobres emisores en la misma longitud de onda.

pobres emisores en la misma longitud de onda.

Estrictamente hablando, esta ley s

Estrictamente hablando, esta ley s ó ó lo se aplica a los gases. lo se aplica a los gases

Ley de Kirchhoff

(44)

S S ólo el 19% de la ó lo el 19% de la radiaci

radiaci ó ó n solar n solar

entrante es absorbida entrante es absorbida por los gases en la por los gases en la atmó atm ósfera. sfera.

Por lo tanto, la Por lo tanto, la

atmó atm ósfera es bastante sfera es bastante transparente a la

transparente a la radiaci

radiaci ón solar ó n solar entrante.

entrante.

(45)

El efecto invernadero atmosférico se debe a que el vapor de agua, CO2 y otros gases son absorbentes selectivos. Ellos permiten que la mayor parte de la

radiación solar llegue a la superficie, pero absorben una buena parte de la radiación infrarroja saliente de la tierra, evitando que escape al espacio. Es el efecto invernadero atmosf

efecto invernadero atmosfé érico rico, entonces, el que mantiene la temperatura de

nuestro planeta en un nivel donde la vida puede sobrevivir.

(46)

Constante solar

Punto de entrada en la atmósfera:

intensidad ≈ 1350 W/m

²

(47)

Los gases atmosféricos dispersan más efectivamente las longitudes de onda más cortas (violeta, azul y verde)

que las más largas (amarillo, naranja y rojo ).

El cielo se ve mayormente azul.

Es el mecanismo de dispersión dominante en la alta

atmósfera.

(48)

(49)

Por qué se ve el cielo azul y no violeta o verde?

la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano (que en definitiva es el que capta las imágenes -aunque el cerebro

las interprete-), es más sensible a la luz azul que a la violeta.

(50)

La fracción de la radiación reflejada

por la superficie terrestre se denomina albedo.

Depende por ejemplo, de la naturaleza

de la superficie y la inclinación de los

rayos solares.

(51)

Albedo típico de diferentes superficies SUPERFICIE

ALBEDO (PORCENTAJE)

nieve fresca 75-95

nubes (espesas) 60-90 nubes (delgadas) 30-50

Venus 78

hielo 30-40

arena 15-45

Tierra y atmósfera 30

Marte 17

campos de hierba

natural 10-30

campo arado, seco 5-20

agua 10 (promedio diario)

bosque 3-10

Luna 7

(52)

Distribución global del albedo

sobre áreas continentales

(53)

Balance de energía terrestre anual

(54)

19 unidades son absorbidas por las nubes y gases atmosféricos

• la dispersión de la atmósfera (6)

• la reflexión de las nubes (20)

• el suelo (4)

30 unidades son devueltas al espacio a causa de:

Considerando que al tope de la atm

Considerando que al tope de la atmó ósfera llegan sfera llegan 100

unidades de radiaci

unidades de radiació ón solar: n solar:

(55)

51 unidades de radiación llegan a la superficie terrestre

26 son dispersadas por la atmósfera como radiación difusa hacia la superficie terrestre