la atmÓsfera terrestre. indice
Post on 25-Jan-2016
55 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
1
LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice
Ambiental
Física
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 Equipo docente:Alfonso Calera BelmonteAntonio J. Barbero
2
ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
Ambiental
Física
INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y LA SUPERFICIE DEL PLANETA
Equipo docente:Alfonso Calera BelmonteAntonio J. Barbero
Departamento de Física AplicadaUCLM
4
Formada originalmente por los gases emitidos por componentes volátiles internos y erupciones volcánicas. El Oxígeno se formó por mecanismos biológicos. Los gases fueron retenidos por la fuerza de gravedad.
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA
En las erupciones volcánicas actuales se observa que los volátiles más comunes son H2O (85%), CO2 (10%) y SO2 y compuestos de nitrógeno (resto).
Baja proporción actual de H2O en la atmósferaBaja 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
Ambiental
Física
http://www.xtec.es/~rmolins1/solar/es/planeta02.htm
Información adicional: http://faculty.weber.edu/bdattilo/shknbk/notes/atmsphrorgns.htm
5
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
Ambiental
Física
7C
apa
hom
ogén
ea
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
Troposfera
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS
TROPOPAUSA
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.
Ambiental
Física
8
Troposfera
Estratosfera
Muy seca, incremento concentración O3 Largos tiempos de permanencia de partículas
Mezcla vertical muy reducida
Mesosfera
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA. TROPOSFERA
dT/dz -7 K·km-1
80% masa, 100% vapor de agua Suceden 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 límite planetaria es la capa
de la atmósfera (300 -3000 m de
espesor) que interactúa con la
superficie terrestre, y que es
influenciada por los intercambios de
energía y materia con 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
Alt
ura
(ord
en d
e m
agni
tud,
m)
CA
PA
RU
GO
SA
CA
PA
SU
PE
RF
ICIA
LC
AP
A
EX
TE
RN
A
TROPOPAUSA
CA
PA
LÍM
ITE
TR
OP
OS
FE
RA
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
16
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
Componentes mayoritarios aire seco(% masa)
COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km(porcentajes)
Ambiental
Física
17
(partes por millón en moléculas)
Ozono: 0-12 ppm
Componentes minoritarios
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
Ambiental
Física
20
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.
ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO
Incrementos de concentración desde 1750
Datos basados en http://zebu.uoregon.edu/1998/es202/l13.html
1750
Actual
280 ppm
360 ppm
29%
Ambiental
Física
Más información sobre ciclo del carbono: http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/carbondioxid/concentration.html
23
PRESIÓN, TEMPERATURA, VIENTO Y PRECIPITACIÓN A
mbiental
Física
24
PRESIÓN. Concepto y unidades
Ambiental
Física
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 superficie sobre la que se ejerce.
Algunos conceptos Presión 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 kPa milibar (mbar) 1 mbar = 0.1 kPa metro de columna de agua (m.c.a.) 1 m.c.a. = 0.9807 kPa atmósfera (atm) 1 atm = 101.325 kPa milímetros de mercurio (mmHg) 1 mmHg = 0.1333kPa kg/cm2
1 kg/cm2 = 98.07 kPa
26
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Por debajo de 100 km, para una altura dada, la presión está prácticamentesiempre dentro de un intervalo de un 30% de un valor estándar.
Variación vertical >> variación horizontalz
Ambiental
Física
Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar
A
B
BpAp
27
PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
Ambiental
Física
gdzdp
dp = - ρ g dz(p+dp)dS
pdS
ρ 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
293
0065.02933.101
z
p
p [kPa]; z [m]
Variación de la presión con la altura
28
gTR
PdzdP
*
z
gdzdP
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
)(** zT
dz
R
g
T
dz
R
gP
dP
o
zP
P
dzzoT
dz
R
gP
dP
0 )(*0
o
o
T
zTLnR
gPPLn
*0
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2) Deducción de la ecuación de variación de la presión con la altura
Ambiental
Física
TRP *
*R
g
o
oo
T
zTPP
29
PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
Ambiental
Física
gdzdp
dp = - ρ g dz(p+dp)dS
pdS
ρ 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
293
0065.02933.101
z
p
p [kPa]; z [m]
30
Aire en movimiento. Flujo de aire relacionado, entre otros factores, con diferencias de presión
... pero
rur
PPgrad
Gradientes de presión +
ru
El aire tiende a desplazarse CONTRA el gradiente de
presión
VIENTO
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!
Ambiental
Física
31
rvaa RR 2
Centrípeta
Coriolis
Aceleración medida en sistema en rotación
Aceleración medida en sistema en reposo
rvaa RR 2
Rv
Rv2
Rv 2
Polo Norte
RvRv 2
Trayectoria en un sistema de referencia inercial
Trayectoria en un sistema de referencia acelerado
EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA
Ambiental
Física
32
Rv 2
Rv2
Desviación a la derecha respecto al sentido del movimiento
Rv2Rv 2
Desviación a la izquierda respecto al sentido del movimiento
N
S
Rv
Rv
DESVIACIÓN DE CORIOLISVisto sobre la superficie
Sentido del movimiento
Desviación de Coriolis
HEMISFERIO NORTE
HEMISFERIO SUR
Desviación de Coriolis
Sentido del movimiento
Ambiental
Física
33
1016
1020
1024
-grad P
Fuerza gradiente de presión
Fuerza Coriolis
Dirección del viento
Rv 2
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
isobaras
VIENTO GEOSTRÓFICO
Hemisferio 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
BBBB Convergencia Intertropical
BB BB
BBBB
AA AAAA
AA AAAA
11
22
33
11 Célula polar 22 Célula de Ferrell 33 Célula de Hadley
Esquema de circulación atmosférica basado enhttp://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Trade_Winds/Trade_Winds.html
CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA
Modelo simple
Aire descendente en los polos fríos y ascendente en las latitudes ecuatoriales cálidas
NO TIENE EN CUENTA LA ROTACIÓN DE LA TIERRA
Vientos polares del este
Alisios del noreste
Vientos del oeste
Alisios del sureste
Vientos del oeste
Vientos polares del este
Ambiental
Física
36
Círculo Polar Antártico
Círculo Polar Ártico
VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
ÁRTICO ANTÁRTICO
Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida
Ambiental
Física
37
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 del aire con la superficie es uno de los mecanismos que generan turbulencia (turbulencia mecánica), esto es remolinos, que transportan calor, vapor de agua, CO2 y cantidad de movimiento.
La fricción es un proceso en el que interviene el viento y las características de la superficie a través de la capa límite
Ambiental
Física
39
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 es de 2 m.
El perfil de velocidades es logarítmico.
Una superficie especial: una superficie de gramíneas homogénea (cesped, por ejemplo). Encima de esta superficie el perfil de velocidades es
87.4
42.58.67ln2
zuu z
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
Ambiental
Física
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
Conversor de temperaturas:http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/temperatura.htm
Temperatura del aire: perfil vertical
La variación de la temperatura del aire con la altura en la atmósfera es el gradiente vertical de temperaturas (air lapse rate).
km
K
km
Cº
dz
dT
CASOS ESPECIALES
PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECO
EN LA ATMÓSFERA ESTÁNDAR
km
Cº 8.9
dz
dT
km
Cº 5.6
dz
dT
Ambiental
Física
41
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 1400
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Te
mp
era
tura
(ºC
)
Hora
TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas
2minmax
mTT
T
Temperatura media diaria Tm
Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
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 está desfasado respecto al medidodía solar
Ambiental
Física
42
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS
30 35 40 45 50T (ºC)
08:00
10:00
05:00
12:00
15:00
18:00
Altura
15 cm
30 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)
Ambiental
Física
DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD
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 temperatura base, Tb, que depende de cada organismo. Para temperaturas por debajo de Tb se 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 está expuesto a dicha temperatura se puede encontrar una escala en la cual el ritmo de desarrollo es constante.
Ambiental
Física
44
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS. Grados día
Ambiental
Física
Tiempo térmico (Grados-día, grados-hora,…)
Δτ = (Ti – Tb) Δt para Ti > Tb, en otro caso Δτ =0
Δτ 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 Δt intervalo temporal considerado [día, hora,…]
Para el caso específico de intervalo diario, Δt = 1 día
n
i i
TbTT
1 2
minmax 2
minmax TT > TbSi
Δτ [grados-día]
45
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
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 día 188?. Usar los datos de la tabla.
EJEMPLO
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
Temperatura y desarrollo biológico (3)
n
ib
i
minmax TTT
1 2
Periodo diario, usamos:
i
minmaxi
TTT
2
PRIMER VALOR > 40 ºC·DÍA196
Día de germinación del cultivo
Ambiental
Física
46
Contenido 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
EL AGUA EN LA TIERRA, HIDROSFERA, EL AGUA EN LA ATMÓSFERA
PRECIPITACIÖN
Ambiental
Física
51
CICLO HIDROLÓGICO
Ambiental
Física
Britannica,2004
53
1 m
1 m
1 m2
1 litro
1 mm
PRECIPITACIÓN EN MILÍMETROS = LITROS / m2
PRECIPITACIÓN. SU MEDIDA
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.
Ambiental
Física
54
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 28 357
1961-1990 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
PRECIPITACIÓN. EJEMPLO
Ambiental
Física
55
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC0
10
20
30
40
50P
reci
pita
ció
n (
mm
)
Meses
B C D
1940-1960
1961-1990
1991-2000
MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS LLANOS
Fuente: datos en http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
Ambiental
Física
56
PrecipitaciónPrecipitación
Radiación SolarRadiación Solar
VientoVientoCOCO22
OO22
Fotosíntesis Fotosíntesis RespiraciónRespiración
IntercepciónIntercepción
InfiltraciónInfiltración
Goteo desde la Goteo desde la vegetaciónvegetación
Suelo:Agua disponible, nutrientes
Planta
Atmósfera
Evaporación
Transpiración
Percolación
Nivel freático
Zona no saturada
Zona saturadaRecarga y flujo
subterráneo
Ascenso capilar
Franja capilar
Escorrentía
Flujos de agua y de … en la superficie terrestre
57
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
Sobre CO2 en la atmósfera (idioma inglés):http://www.iitap.iastate.edu/gccourse/chem/gases/gases_lecture_es.html
Libros (inglés)
BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN
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
Ambiental
Física
Revisión general sobre características de la atmósfera (muy completo; idioma inglés)http://ceos.cnes.fr:8100/cdrom-98/ceos1/science/dg/dgcon.htm
La 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
top related