La Atmósfera
(Parte I)
Curso de Introducción a la Ciencias de la Tierra y el Espacio
• Atmósfera
:
Es un sistema
que evoluciona y es
infinitamente variable, con
una estructura compleja en
todas las escalas de espacio
Tiempo
• Estado de la atmósfera en un cierto instante. (precipitación,
humedad, vientos, temperatura, presión).Manera en que la naturaleza equilibra las fuerzas.
Clima
• Definición 1: Estadística del tiempo atmosférico durante un período prolongado
• Sistema Climático:
componentes
• ATMÓSFERA
• HIDRÓSFERA
• CRIÓSFERA
• CONTINENTES
• BIÓSFERA
Clima
Definición 2: Estado del medio ambiente habitable (descripto estadísticamente) que resulta de la interacción de los componentes del Sistema Climático
ALGUNAS DEFINICIONES
IMPORTANTES
• SISTEMA: Es una entidad compuesta
por diversas componentes que se
encuentran relacionadas y que
funcionan complejamente como un
todo.
• ESTADO DEL SISTEMA: Es un set de
atributos importantes que caracterizan
el sistema en un tiempo particular.
EL SISTEMA CLIMATICO TERRESTRE
COMPONENTES
•
ATMÓSFERA
, que es la componente de más rápida variación
•
OCÉANOS
, que interactúan con la atmósfera baja en períodos de
meses a años, a través de sus capas superficiales, mientras que las
capas más profundas sólo responden a cualquier estímulo en
periodos de décadas a siglos.
•
CRIOSFERA
, que comprende las capas de hielo continentales y
marinos, sobre y por debajo de la superficie terrestre, así como
también todos los depósitos de nieve del mundo.
•
CONTINENTES
, que no sólo incluyen las masas terrestres
continentales, sino, también, los lagos, ríos y depósitos de agua
subterránea.
•
BIOSFERA
, que comprende la vida vegetal y animal del planeta,
incluyendo la vida humana.
EL SISTEMA CLIMATICO TERRESTRE Y
LAS INTERACCIONES
Atmósfera
Es la envoltura gaseosa que rodea el
planeta, consiste en una mezcla de
gases, que tiene una composición casi
constante hasta los 25 kilómetros de
altura.
La atmósfera terrestre cumple varias funciones para hacer
al planeta Tierra habitable
• Sirve como escudo protector de los rayos UV solares dañinos.
• Sirve como frazada que atrapa el calor manteniendo a la superficie de la Tierra en condiciones habitables.
La atmósfera logra esto aun siendo una delgada capa de gases ( si el planeta fuera del tamaño de una manzana, la atmósfera sería tan ancha como la cáscara)
Nuestro confort y seguridad dependen en particular de 2 factores: • La distancia Tierra-Sol
• Las interacciones entre los fotones de la luz solar y las moléculas de los gases que forman la atmósfera
Esto asegura temperaturas moderadas en superficie y la presencia de agua líquida en la Tierra
TRANSFERENCIA DE CALOR
RADIACIÓN:
NO hay intercambio de masa. NO requiere de un medio.
CONDUCCIÓN:
NO hay intercambio de masa. SI requiere un medio
CONVECCIÓN:
SI hay intercambio de masa.
ADVECCIÓN: Transporte de una propiedad (calor)
Interacción de la atmósfera con la
radiación
•
Tres cosas pueden pasar cuando una radiación con
una longitud de onda,λ , choca con un objeto o
sustancia
.1.
Parte o toda la radiación puede ser reflejada:
Fracción reflejada: reflectividad α
λ
No interactúa con el objeto, es rechazado.
2.
Parte o toda la radiación puede ser absorbida.
Fracción absorbida: absortividad, a
λ
Aumenta la T del objeto. Energía radiativa se convierte
en calor.
3. Parte o toda la radiación puede ser transmitida.
Fracción transmitida: transmisividad: t
λNo interactúa con el objeto, simplemente pasa a través de
él
Scattering (dispersión):
Rayleigh : moléculas de aire Mie : partículas y aerosoles
• En regla general, cuanto más pequeña es la partícula
con respecto a la longitud de onda menos efecto tiene.
• Este resultado, dispersión de Rayleigh, se puede
expresar como S ~ (2πr / λ)
4donde S es la dispersión, r es el radio de la partícula y λ
la longitud de la onda.
• Las moléculas que componen la atmósfera son
diminutas respecto a la longitud de onda del rojo, pero
no con respecto al azul.
• Por lo tanto, estas moléculas dispersan el azul pero
tienen un efecto despreciable sobre el rojo; por eso es el
cielo azul y el Sol se ve amarillento.
• Las moléculas de aire tienden a reflejar Longitudes de onda corta (Rayleigh). Principalmente el azul. Radiación difusa es azul (cielo).
• Las partículas (gotas, aerosoles, etc) tienden a reflejar todas las λ de la misma forma. (principalmente foward scattering- Mie). Mezcla de todas las λ: Luz blanca. Nubes, niebla, etc son blancas o grises.
• Al atardecer , el
Sol se ve rojizo
pues los rayos
solares deben
atravesar una
capa mayor de
atmósfera lo
que hace que
unicamente los
rayos rojos
sobrevivan
(transmisión)
¿Recuerdan la clase 2?
Nos falta considerar la composición
química atmosférica y el efecto
Absorción
• Un foton al alcanzar una molécula de aire o una partícula,
puede cambiar de fase o dirección (scattering) o puede
ser absorbido.
• Si es absorbido, su energía es transferida a la sustancia
que lo absorbió. Esta energía puede aparecer como un
aumento de la E interna o como calor. La energía puede
ser almacenada en las formas: vibracional, rotacional,
electrónica o translacional.
E
total= E
trans+ E
rot+ E
vibr+ E
elec• Las transiciones de niveles de energía permitidos de las
moléculas, hace que la atmósfera determine las
frecuencias de radiación en las que será un eficiente
emisor y absorbedor. Si ninguna transición corresponde a
Ley de Kirchoff: Si una sustancia es un emisor eficiente en cierta rango de λ, es también un absorbedor eficiente en el mismo rango de λ: ελ = αλ
Efecto Invernadero Natural
• Gases traza que
absorben y emiten
radiación IR
• Forma parte del
balance de
energía terrestre
• Principales gases
de efecto
invernadero: CO
2,
CH
4, N
2O, O
3,
vapor de agua.
Formación y destrucción de ozono
natural
Formación: La radiación UV de
alta energía proveniente del Sol, rompe la molécula de O2, el
átomo de
Oxigeno se combina con una molécula
de O2, generando una molécula con
3 átomos = O3 OZONO
Ciclo Ozono: El O3 es un fuerte Absorbente de radiación UV de baja Energía. Esta rad. Es absorbida por Capa de ozono al destruir la molécula. Se libera un átomo de Oxigeno que Rápidamente se recombina con una molécula de oxigeno para generar Nuevamente el Ozono
Destrucción del ozono por CFC´s
¿Qué es el agujero de ozono?
Unidad Dobson: Numero de moléculas
De Oz. Requeridas para construir una Capa de Oz puro de 0.01 mm de espesor A una T= 0 ºC y P= 1atm.
En superficie el espesor promedio de la Capa de Oz es de 300 UD , o una capa de 3 mm de espesor.
Agujero de ozono se define cuando la
Concentración de la columna es < 220 UD
El tamaño y profundidad del agujero de ozono Esta gobernado por la T de la estratosfera y la Cantidad de luz solar que llega a la región
¿Porque en las zonas polares?
Vortice polar
Agujero de ozono ( menor a 220 UD) Antártida Octubre 1979-2010
Ventanas Atmosféricas
• Ventana atmosférica: rango espectral
donde la atmósfera es casi transparente.
• Hay dos ventanas atmosféricas:
• Ventana del rango visible ( 0.4-0.7µm):
Permite que la radiación solar llegue a la
superficie.
• Ventana de onda larga ( 8-12 µm).
Permite que parte de la radicación
¿Que pasa si se cierran las ventanas?
• Ventana del visible:
Causas: Aumento de la cobertura nubosa y/o reflección de
aerosoles
AUMENTO DEL ALBEDO GLOBAL.
Consecuencias: Reducción de la cantidad de energía que llega al
sistema Tierra-Atm
EFECTO DE ENFRIAMIENTO
• Ventana OL:
Causas :Aumento H2O,CO2 u otros gases de efecto invernadero
AUMENTO DE ABOSRCIÓN DE IR EN LA
ATMOSFERA
Temperatura
Γ = - әT / әz Γ ≈ 6.5 ºC/Km
B a la nc e de e ne rg ía de l s is te m a c lim á tic o
En equilibrio, la Tierra recibe tanta energía del Sol como la que emite.
Balance de energía al tope de
la Atmósfera
Radiación de onda corta
(radiación solar
que llega)
Radiación de onda larga (OLR)
(radiación
terrestre que sale)
• La OLR esta controlada por la
temperatura de la superficie de emisión.
Por lo tanto los Polos y los topes nubosos
fríos son los que menos emiten. Los
mayores valores ocurren en superficies
calidas, con una atmósfera seca y sin
nubes.
• Mayor en los desiertos y océanos
tropicales ( regiones con poca nubosidad)
• Menor en las regiones polares y en
regiones con alta persistencia de
nubosidad.
• La radiación neta es negativa cerca de los polos
y positiva en los trópicos.
• El valor positivo mas alto es de 120 W/m
2y
ocurre en los océanos subtropicales del
Hemisferio que se encuentra en verano. (Mas
insolación y menos albedo).
• Pérdidas de energía mas grandes se dan en la
noche polar (gran emisión de OLR).
• Desiertos, si bien se encuentran en zonas
subtropicales, presentan mínimos de energía en
el promedio anual. Dos efectos: gran albedo +
gran pérdida de OLR debido a atmósfera seca.
• El gradiente latitudinal de la radiación neta debe
ser balanceado por un flujo de energía hacia los
polos.
• Poner grafico 2.14
hartmann
Flujo de energía
RTOA=radiación neta al tope
ΔFao = Divergencia del flujo horizontal en la atm. y océanos
El transporte en la
horizontal
Lo realizan la atmósfera
y los océanos.
Si integramos,obtenemos
el transporte de flujo
• A los 30º lat. La
atmósfera y los
océanos tienen
igual contribución
al transporte hacia
los polos.
• Si no existiera
este transporte,
los trópicos serian
muy cálidos y los
polos muy fríos.
El promedio global anual de la radiación neta esta
Balance en Superficie
• Ya vimos que la superficie terrestre emite
energía en forma de IR, la cuál es luego
absorbida por ciertos gases atmosféricos
y por las nubes y luego es devuelta a
superficie.
• Balance de flujo en superficie: flujos de
energía por unidad de área que pasan
Componentes No-Radiativas
Calor Sensible (Conducción)
• La superficie pierde calor por conducción, o sea transferencia de calor entre las capas bajas de la atmósfera y la superficie. LLAMADO CALOR SENSIBLE • La transferencia mas importante es durante el invierno cuando masas continentales frías pasan sobre un océano más cálido (costa E de
• La superficie también pierde calor cuando las nubes transportan calor de la superficie a la atmósfera libre.
• Los vientos evaporan agua de los océanos y los
mismos se enfrían. El calor reaparece cuando se
forman las nubes (vapor de agua se condensa y libera calor latente).
• Existe transferencia de calor de los océanos a la atmósfera.
• Promedio anual de agua evaporada: 1 metro.
Pérdida de energía en
superficie: 83 W/m2 ( mitad de lo que recibe del Sol!!)
Componentes No-Radiativas
Calor Latente (Evaporación)
B a la nc e de e ne rg ía e n s upe rfic ie g lo ba l
Describe las transformaciones del agua al pasar por los distintos reservorios
Cantidad de agua (1 año) que mueve el ciclo hidrológico, equivale a 1m de agua distribuido en toda la sup. Terrestre.
La energía requerida para evaporar 1 m de agua = 80 W/m2
Si toda el agua de la atmósfera condensara, representaría 2.5 cm
La atmósfera remueve por precipitación aprox. 40 veces al año (tiempo de residencia del agua: 9 días)
Vapor de agua aprox. 50% efecto inv. Nubes: aprox .30% efecto inv. y 50% albedo
Balance del Agua
C CP
E
F
W
=
−
−
∆
∆
a
a
P
E
F
W
=
−
+
−
∆
∆
)
(
)
(
W
a
+
W
C
=
−
∆
F
a
+
F
C
∆
Continente :
Atmósfera :
P = P + D siendo D condensación en superficie (rocío, heladas, etc)
Distribución geográfica de la
Precipitación
• Decrecimiento de la precipitación más o menos continuo desde el ecuador hacia los polos. Mayor contenido de humedad absoluta en los trópicos. Precipitación en áreas terrestres en los trópicos esta asociada a inestabilidad convectiva.
• Zonas ecuatoriales oceánicas son las regiones que presentan las máximas precipitaciones sobre el globo. (Existencia del Cinturón de convergencia intertropical)
• Las regiones ubicadas entre los 20-30 º latitud N y S presentan escasas precipitaciones ( Existencia de anticiclones subtropicales semipermanentes)
• Bordes occidentales de los continentes presentan en gral. Menores precipitaciones que los bordes orientales.
• Entre los 50-60º de latitud, especialmente sobre los océanos se observa un nuevo incremento de las precipitaciones debido
principalmente a pasajes de sistemas de bajas presiones (cinturón polar de bajas presiones), que luego decrecen hasta llegar a 0 en los polos ( alta polar)
Vapor de agua en la columna es similar a la
distribución de precipitación
Evaporación – Precipitación= Balance Hídrico
● Una región donde la evaporación es mayor que la precipitación tendrá una perdida anual de agua.
● Las zonas subtropicales de los océanos son grandes fuentes de vapor de agua para la atmósfera.
● La región de la zona de convergencia tropical, en cambio, es una zona de continuo flujo de vapor de agua de la atmósfera a los
océanos.
● Sobre los continentes, las regiones subtropicales también tienden a tener un balance hídrico negativo (muchos de los desiertos están
aquí), mientras que en latitudes mayores a 40° el balance es positivo. ● Notar que nuestro país, a pesar de estar en la región subtropical tiene un balance hídrico anual positivo. A una latitud similar Chile tiene un balance hídrico negativo que contiene el desierto de
