CLIMATOLOGÍA

Año 2008

PROGRAMA:

 

1) Sistema climático. Predictabilidad y aleatoriedad. Concepto de Clima. Condiciones externas e internas. Ergodicidad. Transitividad. Climatología Descriptiva, Física, Sinóptica y Dinámica.

 

2)  Factores astronómicos del clima. Radiación solar. Distancia tierra-sol. Altura del sol en función de la latitud, día y hora.

 

3) Subsistemas. Criosfera: nieve estacional, hielo marino, mantos continentales, glaciares y permafrost. El rol de los océanos en el sistema climático. Litosfera: flujo de calor en el suelo. Penetración desfasaje de las ondas térmicas, diurnas y anuales.

 

4)    Balance global de radiación y calor en el sistema climático y en la atmósfera. Transporte meridional de energía. Teorías antiguas sobre la circulación general. Experimentos físicos y matemáticos sobre el transporte meridional de momento angular y calor. Circulación de Hadley y de Rossby. Transporte meridional medio celular y turbulento.

 

5)   La circulación observada. Resolución de la circulación general. campos medios promediados zonalmente. Las circulaciones meridionales. Transporte meridional de calor, momento angular y agua. Esquema global de la circulación general. los campos medios en superficie., troposfera media, alta y estratosfera. Variación estacional. Implicancias climáticas. Convergencia y movimientos verticales.

  

 

6)      La circulación de los trópicos.  

7)      Aspectos generales de la circulación de los Oestes.  

8)  Clasificaciones climáticas. Los climas del mundo.  

9)  El clima de Argentina. La circulación sobre Argentina. Los sistemas de Jets. La depresión del noroeste. Las situaciones típicas. El pasaje de sistemas frontales el desarrollo de ciclones. Campos medios de precitación y su variación anual.

10)  Cambio climático.

11)  El fenómeno de El Niño. Historia: Carranza, Lockyel, Walker, Wyrtky, Bjernes, Ichrye, Quin. El Niño, La niña y la Oscilación del Sur; ENSO. Descripción del fenómeno. El Niño fuera de su área de influencia directa: Africa, India, ONA, Sudamérica.

12)

 

- Temperatura- Precipitación- Contenido de agua en el suelo- Vector viento- Humedad relativa- Insolación- Nubosidad- Visibilidad- Presión- Tiempo significativo: Niebla- Tormentas, heladas, etc

ELEMENTOS DEL CLIMA

Dependiendo de la aplicación que le queremos dar a estos resultados

Clima= valor medio

Balance de energía del sistema tierra-atmósferaQué factores pueden producir cambios en el balance?

Es el sistema que es afectado por la variabilidad de los elementos climáticos. Depende de la escala del tiempo.

Lo que no es parte del sistema climático pero influye en el mismo: Factores externos. Ej: Variabilidad de la radiación solar. Movimientos astronómicos de la tierra

Axiomática: Según OMM el SC está compuesto por los subsistemas

. ATMÓSFERA

. HIDRÓSFERA (Ríos, lagos, océanos, etc)

. CRIÓSFERA ( Hielos continentales y marinos, Nieve y permafrost)

. SUELO (Primeros metros de la litósfera)

. BIÓSFERA (terrestre y marina)

SISTEMA CLIMÁTICO (SC)

Te 1-100 años

SOL ATMÓSFERAOCÉANO (no todo)LITÓSFERA (no todo)CRIÓSFERA

Factores internos del climaCaracterísticas termo e hidrodinámicas de la atmósfera

Posición extrema: Todo lo que interactúa con las variables climáticas depende de Te

Posición manejable: Todo lo que es influenciado por los elementos climáticos de superficie

Factores externos del climaFísica del SolMovimientos Astronómicos

O.M.M.AtmósferaCapa límite planetaria

Atmósfera libre HidrósferaRíos, lagos, mares, océanos. Criósfera Hielos continentales y marinos

NievePermafrost

 Suelo Primeros mts. de la Litósfera Biósfera Terrestre y marina

SISTEMA CLIMÁTICO

Para que la respuesta periódica tenga la misma frecuencia que el forzante debe haber una relación lineal

R(t) = a F(t) + b

R= respuesta

F= forzante

Importancia de la variabilidad interna

gafico 2.7

Cuando un subsitema tiene

El subsitema llega a condiciones medias estacionarias

Es una medida de tiempo que tarda un sistema en equilibrarse después de una perturbación pequeña sobre el mismo

TIEMPO DE RESPUESTA : T

Una expresión: l – folding time = T

 

Perturbación de magnitud A A´ = Ae –t

cuando t = 1/ t = T ya que A´ = A/e

En general en el sistema climático

T de respuesta es el T respuesta térmico

T << que el T del resto del sistema que interactúa con él

SUBSISTEMAS

ATMÓSFERA HIDRÓSFERA

-Densidad y capacidad calorífica muy pequeña

-- T de respuesta pequeño

 - Muy Inestable

- Mas dinámico de los subsistemas

 

- Dimensiones: Horizontal >> Vertical

- Movimientos esencialmente horizantales

. Equilibrio hidrostático

. Fuerte interacción con la superficie y el espacio exterior

- Densidad y calor específico >> atmósfera

  T de respuesta grande

- Masa * Calor específico >> que todos los otros subsistemas

 - Reservorio de energía

 - Gran inercia mecánica

 

- Dimensiones idem atmósfera

  . Equilibrio hidrostático

. Fuerte interacción con la

atmósfera

DIMENSIÓN RELATIVA

Masa99 % 30

km

D2r

1400

~

~r 6000 km

D

16 km

Dimensiones

SUBSISTEMAS

ATMÓSFERA HIDRÓSFERA

, Cv más pequeñosT pequeñomás inestablemás dinámica

, Cv >> atmósfera Masa . Cv >> Todos los otros

subsistemas 

Reservorio de energía

Gran inercia mecánica Dimensiones: Océano idem Atmósfera pero aún más Hidrostático

Fuerte interacción con la superficie

Redistribución propiedades

por movimientos esencialmente horizontales 

Relación hidrostática 

Fuerte interacción Mar – Atmósfera

LITÓSFERA

 

- Condicionado por el clima

- Agente Vulcanismo

 

- Intercambia con atmósfera:

- Momento

- Energía

- Masa (agua)

BIÓSFERA

- Ciclo de gases de invernadero

CO2- CH4, NO7

- Reflexión de la luz

- Ciclo del agua

 

CRIÓSFERA

- Hielo en Antártida y Groenlandia

- Hielo cont. en glaciares

- Hielo marino , capas y témpanos

- Nieve (transitoria estacionalmente)

Permafrost

 

Desacopla Océano – Atmósfera en lat. altas

 

FEEDBACK

input outputSISTEMA

FEEDBACK

FEEDBACK

input outputSISTEMA

FEEDBACK

ejemplos:

T + sup. con HIELO y NIEVE

+ reflexión de la LUZ SOLAR

T

FEEDBACK POSITIVO

T mas capacidad de contener H2O vapor en la atmósfera

mayor retención de la emisión de onda larga

otra vez FEEDBACK POSITIVO

+ H2O vapor

FEEDBACK NEGATIVO

T

+ Nubosidad

+ Albedo

- Radiación O. larga saliente

eventualmente

T

Complicado, aunque generalmente

+ H2O vapor

FEEDBACK NEGATIVO

T

+ Nubosidad

+ Albedo

- Radiación O. larga saliente

eventualmente

T

Complicado, aunque generalmente

FORZANTE EXTERNO Y VARIABILIDAD INTERNA

FB-

FB+

Perturbación decrece

Perturbación crece y puede dar lugar a otros procesos con FB- ó FB+

VARIABILIDAD INTERNA

Factores del ClimaINTERNOS

EXTERNOS

Generales

Locales

Cambios en la órbita terrestre Astronómicos Variabilidad de la emisión solar  Deriva de los continentes Geológicos Movimientos orogénicos 

 

    

  Vulcanismo

Cambios en la concentración

Composición de GEI

de la atmósfera Cambios en la concentración

y distribución de aerosoles

Variabilidad interna del sistema

Astronómicos• Escala de tiempo: 10.000 a 100.000 años

• La excentricidad de la órbita sufre variaciones que provocan una sustancial variación del forzante externo y eventualmente cambios climáticos en la escala de milenios

• cambio de excentricidad, 95000 años de período

• el eje de la tierra tiene un ángulo con respecto a la eclíptica (produce las estaciones) hoy ~ 23,5 º. Varía de 21,8º a 24,4º con un período de 41000 años

• rotación del eje de la tierra alrededor de la vertical de la eclíptica, período de 21000 años (movimiento tipo trompo)

• Este movimiento da lugar a lo que se denomina la precesión de los equinoccios, es decir el traslado de los equinoccios en la órbita. Hoy el perihelio está en enero, 10000 años atrás estaba en junio. Ver figuras

Figure 6.3• Figure 6.3. Variations of deuterium (δD; black), a proxy for local temperature, and the atmospheric concentrations of the greenhouse gases CO2

(red), CH4 (blue), and nitrous oxide (N2O; green) derived from air trapped within ice cores from Antarctica and from recent atmospheric measurements (Petit et al., 1999; Indermühle et al., 2000; EPICA community members, 2004; Spahni et al., 2005; Siegenthaler et al., 2005a,b). The shading indicates the last interglacial warm periods. Interglacial periods also existed prior to 450 ka, but these were apparently colder than the typical interglacials of the latest Quaternary. The length of the current interglacial is not unusual in the context of the last 650 kyr. The stack of 57 globally distributed benthic δ18O marine records (dark grey), a proxy for global ice volume fluctuations (Lisiecki and Raymo, 2005), is displayed for comparison with the ice core data. Downward trends in the benthic δ18O curve reflect increasing ice volumes on land. Note that the shaded vertical bars are based on the ice core age model (EPICA community members, 2004), and that the marine record is plotted on its original time scale based on tuning to the orbital parameters (Lisiecki and Raymo, 2005). The stars and labels indicate atmospheric concentrations at year 2000.

¿El sistema climático es o no ergódico?

Los sistemas matemáticos similares presentan en principio infinitas soluciones.

Cada solución tiene sus propias estadísticas de largo plazo.

 

Si al elegir una solución cualquiera del sistema hay un sólo conjunto de estadísticas de largo plazo el sistema es transitivo.

Es decir que las estadísticas no van a depender de qué valores haya tomado el sistema en algún momento

 

¿Por qué transitivo? 

Los valores de las soluciones no están impedidos de transitar por cualquier valor.

En el largo plazo presentarán las mismas estadísticas.

Si hay más de un conjunto de estadísticas con probabilidades no nula el sitema es intransitivo

Analogía física

Sistema Transitivo

V V = 0

Sistema Intransitivo V V = 0

Sistema TRANSITIVO

Sistema INTRANSITIVO

Proceso ergódico

No ergódico

Enseñanza del experimento

Podría ocurrir: Cambio en las condiciones externas modifica el clima en forma irreversible

 

Tercera posibilidad

Sistema es transitivo pero por ciertos tiempos mantiene estadísticas diferentes.

Esto es un

 Sistema semitransitivo

Posibles explicaciones de:

 NIÑO NO-NIÑO

Periodos Interglaciares Periodos Glaciares

Herramienta de estudio Modelos de Circulación General (MCG)

Modelos Climáticos Globales

NOAA´s Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)

Herramienta: Observación del Sistema Climático, su variabilidad y

cambio

Observación del sistema

• Observaciones directas (Estaciones meteorológicas)

• Satélites

• Radares

• Proxy data

• ....

• RESEARCH PROGRAMS

• GLOBAL CARBON CYCLE• GREENHOUSE GASES and AEROSOLS

• MODELING CLIMATE• OBSERVING CLIMATE VARIABILITY and CHANGE

• PREDICTING CLIMATE VARIABILITY and EXTREME EVENTS• EL NIÑO and LA NIÑA• THE OZONE LAYER• ARCTIC RESEARCH

• PALEOCLIMATOLOGY• REGIONAL CLIMATE SERVICES

Radiación Solar

División aproximada del espectro solar en varias bandas de colores y regiones de energía

Ultravioleta < 0.4 µm 8.03 %

Visible Violeta

Azul

Verde

Amarillo

Naranja

Rojo

0.390 – 0.455

0.455 - 0.492

0.492 – 0.577

0.577 - 0.597

0.597 – 0.622

0.622 - 0.770

46.41 %

Infrarrojo > 0.77 µm 46.40 %

Isc = σ T 4

4 Π R2 Isc = 4 Π rs2 σ Ts 4

llega a la superficie de la sale del solllega a la superficie de la sale del sol esfera donde esta la Tierraesfera donde esta la Tierra

Temperatura de cuerpo negro del Sol

Ts= (Isc R²/σ rs² ) ¼

R = 149 597 890 km. Distancia media tierra-solrs = 694 980 km. Radio del solσ = Stefan Boltzman

cte =5,6697 x 10-8 W/m2k4

Isc = 1367 W/m2

Ts = 5777 ºK

La distancia tierra sol• La radiación que llega al tope de la atmósfera terrestre es inversamente proporcional al

cuadrado de la distancia. • Isr = σ Ts4 rs²/R²

Rmin = 0,983 AU ~ 3 enero en el perihelioRmax = 1,017 AU ~ 4 julio en el afelio

Rmed ~ 4 abril y 5 octubre

• Isr R² = Isc Rm² Isr = Isc (Rm/ R) ²

• Estas distancias están influenciadas por otros cuerpos celestes. Pero estas alteraciones son conocidas y están en el almanaque náutico publicado por el observatorio naval de EE.UU.

• Isr = Isc Eo

Eo = (R medio/ R)2

Eo = 1,000110 + 0,034221 cos Γ + 0,001280 sen Γ + 0,000719 cos 2Γ + 0,00077 sen 2Γ

Γ = 2 π (dn – 1)/365

dn : 1= 1 enero

Aproximación

Eo = 1 + 0,033 cos[(2πdn/365)]

E0 = (Rmed/R)² es la corrección por excentricidad y se puede aproximar por una serie de Fourier

• El tiempo solar está basado en la rotación de la tierra sobre su eje. El día solar es el tiempo en que el sol parece cumplir un ciclo completo sobre un lugar sobre la tierra y no es exactamente 24 hs.

• El día solar varía a lo largo del año porque:

– El eje de la tierra tiene un ángulo con respecto a la eclíptica y.

– La Tierra barre áreas desiguales de la eclíptica en días distintos

• Discrepancias de un día a otro de hasta 30 minutos son posibles. La ecuación del tiempo en minutos (discrepancia con el tempo medio del día) es otra vez en términos de Fourier de Γ

• Et = 229,18 [0,000075 + 0,001868 cosΓ – 0,032077 senΓ – 0,014615 cos2Γ – 0,04089 sen2Γ]

• Es una aproximación, mayor exactitud en el almanaque naval.

• (TLA) Tiempo local aparente = (TLM) Tiempo local medio + Et

• Como generalmente la hora que se usa es la de otro meridiano = TLS

• TLM = Tiempo local standard (TLS) + corrección por longitud (CL)– CL = 4 (Ls – Ll) , Ls = longitud standard , Ll = longitud local

es<0 si Ls está al este de Ll

• Así TLA = TLS + 4 (Ls – Ll) + Et

• Es la ecuación que vincula el tiempo standard y el solar de un lugar medidos ambos en minutos.

cos(θs) = cos(90 –Φ) cos(90 – δ) + sen(90 – Φ) sen(90 – δ) cosh

• Donde h es el ángulo horario medido desde el mediodía– Se deduce la duración del día

Simplificando

cos(θs) = sen Φ senδ + cos Φ cosδ cos h(duración del día ?..)

• Por lo tanto la radiación solar inicialmente en una superficie horizontal es

• Ih = Isr [sen Φ senδ + cos Φ cosδ cos h]