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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]