CAPITULO IV

OTROS PARAMETROS CLIMATOLOGICOS

En este captulo se describirn los procesos naturales que afectan a la temperatura,

la generacin de humedad en la atmsfera y los fenmenos fsicos y atmosfricos que

causan el movimiento del aire. Los tipos de sensores utilizados para determinar la magnitud

de estas variables y las formas estandarizadas mundialmente de reportar sus mediciones.

IV.1 Temperatura.

La medicin de temperatura es una de las estimaciones meteorolgicas bsicas y

afortunadamente puede ser hecha con una amplia variedad de procesos fsicos (expansin

trmica, resistencia elctrica, generacin termoelctrica, etc.). Los datos medidos de

temperatura son solicitados por muchos usuarios de datos meteorolgicos y los procesos

para realizar dichas mediciones son usualmente compatibles con la electrnica, lo cual la

hace fcil de transducir o modificar.

Por increble que parezca, en estos das de termmetros baratos y de informes

constantes sobre la temperatura, apenas en el siglo XVIII no haba ningn modo de medir

con precisin los grados de ausencia o presencia de calor. El primer instrumento

rudimentario para medir el grado de temperatura de los cuerpos, construdo por Galileo a

finales del siglo XVI, se bas en la dilatacin trmica del aire contenido en un tubo de

vidrio. Posteriormente se fue desarrollando un termmetro basado en la dilatacin de los

lquidos, que es ms estable a las variaciones de altura y tiempo [4].

Todos los instrumentos primitivos carecieron de una escala definitiva de medicin,

por lo que fue Daniel Fahrenheit quien estaba destinado a escoger una alta y una baja, que

aunque no perfectas, tenan una variacin de pocos grados. Para la baja escogi una mezcla

congelante de hielo, agua y sal. Para la alta tom la temperatura del cuerpo de un hombre

saludable, a la cual asign arbitrariamente el nmero 96 (que es bien divisible) en vez de

98.6 que es nuestra medicin actual. Empleando mercurio como lquido dilatable,

determin que el hielo puro funda a 32 y, prolongando esta escala nueva hacia arriba,

estableci que el agua hierve a 212.

En 1730, Raumur propuso una escala que todava se emplea ocasionalmente en

Europa, que divide en 80 grados el intervalo entre el punto de ebullicin y el de

congelacin del agua. Doce aos despus, el sueco Anders Celsius sugiri tomar el cero

como el punto de ebullicin del agua y los cien grados como el de congelacin; esta escala

no tard en ser invertida, a fin de poner en 100 grados el punto de ebullicin y en 0 el de

congelacin. La escala resultante, que hoy llamamos Centgrada o Celsius facilit las cosas

a los cientficos; se usa en todo el mundo, a excepcin de los Estados Unidos y algunas

naciones de la comunidad britnica que an se aferran a la escala Fahrenheit, engorrosa y

difcil de manejar.

Hay adems otra escala de temperatura, la cual es muy usada por los cientficos,

quienes se han dado cuenta de que si lo fro es simplemente la ausencia de calor,

lgicamente se sigue de ah que debe haber un punto donde no haya nada de calor. Este

concepto origin en 1848 la escala Kelvin, as llamada en honor de Lord Kelvin, fsico

ingls. En la escala Kelvin, el cero es equivalente a -273.16C (-459.7F) y es la

temperatura mas baja concebible en el universo.

Se ha estado hablando de calor y de temperatura y se podra pensar que se trata de la

misma cosa, por lo que se hace necesario definir sus trminos. Aqu se muestran unas

deficiniciones sencillas [8]:

Calor. Es la cantidad de energa trmica que un cuerpo tiene en un instante dado; adems

tiene la capacidad de efectuar un trabajo mecnico. El calor en un cuerpo depende

cualitativamente de su nivel trmico (temperatura), de su cantidad de materia (masa) y de

su capacidad de almacenar energa en forma trmica (calor especfico, dependiente de la

naturaleza del cuerpo).

Temperatura. Es la medida de la agitacin de sus molculas o intensidad de calor y tambin

puede definirse como un nmero medido en una escala arbitraria que indica cuando dos

cuerpos estn en equilibro termodinmico.

El clima, su comportamiento y las condiciones climatolgicas globales estn

compuestas de muchos elementos, de los cuales la temperatura es el ms influyente. Este es

el componente que tiene un impacto fundamental en muchsimas actividades: nuestro

vestido, necesidades energticas, desarrollo agrcola, nuestros hogares y an nuestra

integridad fsica. Adems, aunque la radiacin solar (estrictamente el balance de energa) es

el control primario, es la variacin espacial y temporal en la temperatura la que ayuda a

determinar la situacin climtica.

La interface afectar claramente la temperatura del aire sobre ella, pero es

imprctico medir continuamente la temperatura del aire a una altura suficiente para reducir

el efecto completamente. La altura de 1.5 a 2 m. es un compromiso, de conveniencia y

realismo, ya que estamos mas preocupados por el espacio en el que vivimos, el nivel

inferior de la bisfera.

La temperatura est determinada cercanamente, pero no exclusivamente, por la

insolacin. De ah, tenemos dos ciclos dominantes, el diurno y el anual. En todas las

estaciones meteorolgicas la temperatura mnima (en el aire a la sombra a 1.5 m.)

usualmente ocurrir alrededor del amanecer (debido a que la radiacin neta todava es

negativa en ese momento), y la mxima se alcanzar alrededor de las 2 o 3 horas del

medioda local (el tiempo de retraso para la conduccin y los procesos convectivos afectan

las condiciones a esa altura). En la Figura 4.1 pueden observarse las grficas generadas a

partir de datos de temperatura. En estas grficas se observan los fenmenos descritos

anteriormente. Adems los efectos de frentes de temperaturas diferentes a la media, que

influencan su forma.

La humedad es tambin un factor que determina los rangos de temperatura. Sobre el

agua, mucha de la radiacin neta se emplea en el proceso evaporativo; de ah los rangos de

temperatura extremadamente reducidos. El vapor de agua en la atmsfera influenca la

temperatura porque sus bandas de absorcin ocurren en la regin infrarroja del espectro, as

que mucha de la radiacin terrestre es absorbida y regresada a la tierra. Este efecto neto de

calentamiento sobre la superficie y la temperatura cercana a la superficie es llamado efecto

atmosfrico, un trmino preferible al de efecto invernadero. El bixido de carbono tambin

juega un rol en este proceso.

IV.1.1 Bulbo seco y bulbo hmedo.

Dos condiciones de temperatura que son de importancia para su medicin son la

temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo hmedo. Estas dos variables son

empleadas en la determinacin del grado de saturacin de una mezcla vapor-gas. En este

caso hablaremos de la mezcla aire-vapor de agua. La aplicacin prctica reside en la

aportacin de informacin para el diseo de torres de enfriamiento, de equipo de

evaporacin, en el diseo de viviendas y su acondicionamiento climtico.

Bulbo seco. Es la temperatura de una mezcla de vapor-gas determinada en la forma

ordinaria por inmersin de un termmetro en la mezcla. En otras palabras, es la temperatura

registrada por un termmetro ordinario considerada como temperatura ambiente.

Bulbo hmedo. Es la temperatura en estado estacionario alcanzada por una pequea

cantidad de lquido que se evapora en una gran cantidad de una mezcla de vapor-gas (aire-

agua) no saturada. En condiciones apropiadamente controladas, dicha temperatura puede

utilizarse para medir la humedad de la mezcla. Para obtener este valor correctamente, se

cubre el bulbo de un termmetro con un material fibroso humedecido en el lquido y se

introduce a una corriente de mezcla gaseosa que se mueve rpidamente. La temperatura que

indica este termmetro alcanzar finalmente un valor inferior a la temperatura de bulbo

seco del gas, si este ltimo no est saturado.

Figura 4.1. Patrones esquemticos de temperaturas diarias (en condiciones de baja nubosidad) para

(a) estacin ecuatorial a nivel del mar, (b) estacin a nivel del mar a 40N en invierno, (c) estacin a

nivel del mar a 40N en verano, (d) estacin a nivel del mar a 40N en invierno durante frente fro, (e)

estacin a nivel del mar a 40N en primavera durante frente clido.

La diferencia de temperaturas se debe a que como la mezcla gaseosa no esta

saturada, una porcin del lquido que est en el material fibroso empieza a evaporarse. El

mecanismo de evaporacin requiere de una cantidad de calor latente para efectuarse, el cual

ser obtenido de una regin circundante al rea donde se est efectuando la evaporacin. La

fuente de calor en un principio ser el calor que tiene el mismo lquido, que empezar a

enfriarse. Cuando la temperatura del lquido sea menor que la temperatura de la mezcla,

entonces el calor del gas empezar a fluir hacia el lquido hasta alcanzar una estabilidad de

transferencia de calor entre el gas y el lquido en evaporacin y la temperatura del lquido

permanecer constante en algn valor bajo [22].

IV.1.2 Instrumentos comunes.

- Termmetro de lquido en tubo de vidrio. Se puede decir que este es el tipo ms comn de

termmetros. Consta de un bulbo o depsito de vidrio, el cual se prolonga por su extremo

abierto en forma de un tubo capilar graduado en su exterior, tambin de vidrio, cerrado en

su extremo ms alejado. Dentro de este arreglo se encuentra encerrado un lquido

(generalmente etanol puro coloreado o mercurio). Mediante la accin del calor el lquido

contenido en el depsito se dilata y asciende por el tubo capilar. La lectura se realiza sobre

la escala grabada en el capilar, en donde se detiene la columna del lquido. Con

termmetros de mercurio el lmite inferior de medicin se encuentra en los -36C, que es su

punto de congelacin. A temperaturas mas bajas, el etanol puro da resultados satisfactorios

[10].

Bajo este principio existen diferentes configuraciones de termmetros, que se

utilizan para determinar temperaturas ambiente, mximas y mnimas diarias, y que se

utilizan en estaciones meteorolgicas en todo el mundo.

- Termmetros metlicos llenos de lquido. Tambin llamados sistemas termales llenos (ver

Figura 4.2). Se disearon para facilitar la indicacin y el registro de la temperatura a cierta

distancia del punto de medicin. Su principio tambin esta basado en la expansin trmica

de un lquido, solo que dicho lquido esta encerrado en un depsito unido a un capilar

metlico. En el extremo del capilar se encuentra un elemento sensible a la presin

(generalmente un tubo de Bourdon), el cual proporcionar los medios para registrar la

temperatura.

Cuando se aplica calor al bulbo del termmetro, el lquido contenido en su interior

empieza a dilatarse, generando una presin dentro del sistema. Esta presin se transmite a

travs del capilar hasta el elemento sensible (Bourdon), provocando un movimiento o

fuerza que ser registrada por una plumilla o aguja.

Existen diferentes tipos de termmetros, dependiendo del elemento sensible a la

presin (Bourdon, fuelle, diafragma), del fludo utilizado para la expansin (algunas veces

gases) y del sistema de compensacin del movimiento para lecturas mas exactas. Todas

estas caractersticas proporcionan un termmetro bastante verstil y debido a su

configuracin sencilla, tambin lo hace un sistema resistente y barato.

Bourdon

Escala

CapilarBulbo

Figura 4.2. Diagrama esquemtico de un sistema termal lleno.

- Termopar. En este tipo de termmetros se aplica el principio de la termoelectricidad,

descubierto por Seebeck en 1821. El termopar es uno de los sistemas de medicin ms

usados en la termometra moderna.

Cuando se unen dos alambres de diferentes metales por uno de sus extremos y esa

unin se calienta, se desarrolla un pequeo voltaje de corriente directa proporcional a la

temperatura de esa punta caliente (unin de medicin). Las dos puntas libres de los

alambres se conectan entonces a un milivoltmetro o potencimetro, el cual mide la

corriente generada y la indican o registran en trminos de temperatura. La mayora de los

termopares comerciales generan una corriente o fuerza electromotriz (fem) del orden de 20

a 50 mV a travs de su rango normal de operacin.

Existen diferentes efectos y leyes que gobiernan la operacin de un termopar, as

como existen varias reglas y lmites de aplicacin entre las distintas aleaciones comerciales

que pueden utilizarse para medir temperaturas. Todos los arreglos termopares estn

influenciados en mayor menor grado por llos. Aqu se describen brevemente [10]:

Efecto Peltier. Es el efecto que gobierna la fem resultante nicamente del contacto entre los dos metales diferentes (su magnitud vara con la temperatura en el punto de

contacto).

Efecto Thompson. Es el resultado de un gradiente de temperatura a lo largo de un alambre sencillo. La fem resultante es menos predominante que en el efecto anterior.

Ley de las temperaturas intermedias. Establece que la suma de las fem generadas por dos termopares, uno con sus uniones a 32F y alguna temperatura de referencia, el otro

con sus uniones a la misma temperatura de referencia y a la temperatura de medicin,

es equivalente a la producida por un termopar nico con sus uniones a 32F y a la

temperatura de medicin.

Ley de los metales intermedios. Aparentemente la introduccin de metales adicionales en un sistema termopar modificar la fem desarrollada por el termopar y afectar su

calibracin. Sin embargo, esta ley establece que la introduccin de un tercer metal

dentro del circuito no tendr efecto sobre la fem generada, siempre que las uniones del

tercer metal con los otros dos estn a la misma temperatura.

En cuanto a los metales o aleaciones, se han estandarizado algunas combinaciones,

dependiendo de las relaciones fem-temperatura, las cuales deben ser razonablemente

lineales dentro de un rango ms o menos amplio de medicin, adems de que fsicamente

deben ser capaces de soportar perodos sostenidos de altas temperaturas, cambios rpidos

de temperatura y el efecto de atmsferas corrosivas. Algunas caractersticas fisicoqumicas

de termopares disponibles comnmente pueden verse en la Tabla 4.1.

El uso de termopares est ampliamente difundido en aplicaciones industriales y de

investigacin cientfica, principalmente por su facilidad de instalacin, su sencillez y la

forma relativamente fcil de medir su seal elctrica. Existen compaas como Omega,

Cole-Parmer y Bailey, que producen gran cantidad de arreglos termopares para distintos

usos, adems de construir muchos tipos de transductores y medidores electrnicos para

desplegar la temperatura medida por llos. En la Figura 4.3 se muestra una sencilla carta de

seleccin de termopares. Contiene informacin de los tipos de termopar y los rangos

confiables de medicin de temperaturas.

Tabla 4.1. Tabla representativa de termopares comerciales mas comunes.

Tipo

Aleaciones Propiedades Calibre AWG*

T Cobre - Constantn Resistente a la corrosin, Exacto en rango de -300 a 750C

14, 20, 24, 28

J Hierro - Constantn Resiste atmsferas reductoras. 8, 14, 20, 24, 28 K Cromel - Alumel Resiste atmsferas oxidantes limpias; en

reductoras pierde exactitud. 8, 14, 20, 24, 28

E Cromel - Constantn Genera el mas alto valor de fem. Resiste atmsferas ligeramente oxidantes o

reductoras.

8, 14, 20, 24, 28

G Tungsteno - 26% Renio Resiste muy altas temperaturas, poca resistencia a la oxidacin.

24, 28

R Platino - 13% Rodio Alta resistencia a la oxidacin y a la 24 S Platino - 10% Rodio corrosin. Se contaminan fcilmente B Platino 6% Rodio - 30%

Rodio con H, C y muchos vapores metlicos.

* AWG .- American Wire Gauge (Calibre americano para alambres)

-3000

500

1000

1500

2000

2500

3000

T

J#20

J#14

J#8

K#14

K#8

R,So B

F

Detector de Radiacin

Generalmente satisfactorio

satisfactorio pero no recomendable

Figura 4.3. Carta de seleccin de termopares.

- Termmetro bimetlico.- Este termmetro es un material compuesto, constituido por dos

o ms lminas de diferentes metales fijos entre s, los cuales a causa de sus diferentes

coeficientes de expansin tienden a cambiar su curvatura cuando estn sujetos a cambios de

temperatura.

Con un extremo de un arreglo helicoidal o espiral de laminas fijo, el otro extremo

libre se desva directamente proporcional a los cambios de temperatura y al cuadrado de la

longitud e inversamente al grosor, a lo largo de la porcin lineal de la curva caracterstica

de deflexin. Es decir, si una lmina bimetlica se arrolla o devana en forma de hlice o

espiral y una terminal esta fija, la otra terminal girar siguiendo las condiciones anteriores.

Se puede unir el extremo libre a un indicador o registrador para lecturas y almacenamiento

de datos.

Los materiales de construccin deben ser seleccionados de acuerdo a los siguientes

criterios: coeficiente de expansin, mdulo de elasticidad, lmite elstico, conductividad

elctrica, ductilidad, estabilidad metalrgica y resistencia a cambios de temperatura. Entre

los materiales ms comunes tenemos al hierro, bronce, cobre, zinc, tungsteno, estao,

vidrio, nquel, invar y acero.

- Termistores. Los termistores son bsicamente semiconductores que presentan cambios

rpidos y extremadamente grandes en la resistencia elctrica para cambios relativamente

pequeos en la temperatura.

Entre los materiales semiconductores que se utilizan en la construccin de

termistores est un gran nmero de xidos y sus mezclas, incluyendo xidos de cobalto,

cobre, hierro, magnesio, nquel, estao, titanio, uranio y zinc. La forma de fabricacin

inicia con la preparacin de polvos xidos, los cuales son comprimidos para formar una

pastilla o barra. A esta pastilla se le incrustan los alambres conductores, para

posteriormente tratarla trmicamente (sinterizacin) formando un cuerpo cermico denso.

Este conjunto es entonces recubierto con plata en sus caras y despus encapsulado en una

resina epxica, con el fin de conferirle resistencia e integridad en sus aplicaciones

posteriores.

Como se mencion, la medicin de temperatura se efecta de acuerdo a la

resistencia que ofrece el semiconductor al paso de la corriente elctrica en relacin directa

con la temperatura. Se hace circular una cierta cantidad de corriente elctrica a travs del

sensor, as, cuando se aplica calor al termistor, empieza a aumentar la resistencia del

material, limitndose el paso de la corriente. De esta forma, la diferencia entre el voltaje

continuo y el que proviene del resistor es una medida de la temperatura en el punto de

medicin.

- Termoresistores. Utilizan la caracterstica que relaciona la resistencia elctrica con la

temperatura para medirla. Para metales puros, esta relacin podra expresarse por:

R Rt 0= + + + +( ...)1 2 3at bt ct

donde R0 = Resistencia a la temperatura de referencia (ordinariamente 0C).

Rt = Resistencia a la temperatura t, ohms.

a = Coeficiente de temperatura de resistencia, ohm/ohm.

b, c, ... = Coeficientes calculados sobre la base de dos o mas puntos conocidos de

resistencia - temperatura.

Solo unos pocos metales puros presentan relaciones resistencia-temperatura

convenientes para la fabricacin de elementos sensibles termoresistivos. Entre los metales

puros ms comunes estn: 1) Termmetro de resistencia de platino. Este metal tiene las

caractersticas ptimas de servicio para un amplio rango de temperatura. Por sus

propiedades fsicas y qumicas es el elemento ms utilizado en la construccin de

termoresistores industriales, adems presenta una respuesta proporcional lineal en el rango

de 0 a 100C. Las desventajas principales son que an cuando el platino es un metal noble,

por lo tanto tiene una excelente resistencia a la oxidacin, es posible que se contamine con

gases y xidos metlicos a elevadas temperaturas. El platino es el metal preferido para

termoresistores de alta sensibilidad del tipo encapsulado. 2) Termmetro de resistencia de

nquel. Cubre un rango de -70 a 150C con resultados prcticos satisfactorios; por arriba

de 300C su respuesta se hace irregular. 3) Termmetro de resistencia de cobre. El rango

til para este tipo de metal es de -200 a 150C, ya que el cobre tiende a oxidarse a altas

temperaturas. En la mayora de las aplicaciones a temperatura ambiente se prefiere el uso

de termoresistores de cobre debido principalmente a su alto grado de reproducibilidad e

intercambiabilidad, su respuesta lineal con respecto a la temperatura y a su fabricacin

relativamente fcil [10].

- Pirmetro de radiacin. Este tipo de termmetro no es comn en estudios meteorolgicos;

sin embargo se considerar por su naturaleza y por sus aplicacines en el campo industrial.

El pirmetro de radiacin es una aplicacin prctica de la ley de Stefan - Boltzmann de la

energa radiante, la cual establece que la intensidad de energa radiante emitida desde la

superficie de un cuerpo se incrementa proporcionalmente a la cuarta potencia de la

temperatura absoluta del cuerpo.

Su funcionamiento es el siguiente: en un principio el pirmetro debe apuntar hacia

un punto del objeto a medir; por medio de un lente se enfoca la energa radiante del cuerpo

sobre una termopila, la cual generar una fem proporcional a la cantidad de energa que cae

sobre ella; as, la fem tambin ser proporcional a la temperatura del punto medido. Las

aplicaciones pueden considerarse dentro de tres grupos, en donde el pirmetro es preferido:

1. Donde se manejan temperaturas por encima del rango de operacin de los termopares.

2. Donde la atmsfera que circunda al sensor es perjudicial al material del termopar y/o

produce mediciones errticas y/o acorta la vida de servicio.

3. Donde, por diversas razones, es preferible y ms prctico mantener al medidor de

temperatura fuera de contacto con el material a medir.

IV.1.3 Formas de reportar mediciones de temperatura.

La temperatura considerada en muchos reportes climatolgicos es la del aire,

medido a una altura de aproximadamente 1.5 a 2 m. y en condiciones de sombra, dentro de

un recinto propio para el instrumento. Bajo la influencia de la insolacin, una sustancia

slida puede alcanzar una temperatura diferente de la del aire, como resultado de la

absorcin de radiacin. Para tener una estricta comparacin y estandarizacin, los

meteorlogos usan termmetros expuestos dentro de cubiertas blancas para eliminar, o al

menos reducir considerablemente, el efecto de la radiacin. Aunque se usa el trmino

temperatura a la sombra, debe apreciarse que en el aire libremente circulante de la

atmsfera, sta es la misma que la temperatura del aire en el sol. En ocasiones de prdida

radiativa neta (generalmente en la noche) las superficies tendern a estar a una temperatura

menor que la del aire circundante.

A continuacin se enlistarn las mediciones de temperatura ms comunes

registradas y reportadas por una estacin meteorolgica.

Temperatura media diaria. La temperatura del aire en un da especfico vara

constantemente debido a muchos factores (presencia de nubes, cambios en el patrn de

vientos, ngulo solar, etc.), por lo que el tener una gran informacin a lo largo del da

representa un inconveniente cuando se desea comparar ese da con otros. La forma ms

prctica es buscar un mtodo de condensar esa informacin para que represente un valor

particular, llamado temperatura media diaria. La temperatura media diaria es generalmente

calculada como el promedio, o el valor medio entre las temperaturas mxima y mnima de

ese da. Esta tcnica no se emplea en estaciones principales, donde se determina la media

considerando las lecturas de temperatura en todo el da (24 horas). Otro mtodo que

emplean diferentes pases es el de considerar las temperaturas a intervalos regulares del da

(por ejemplo, a las 7, 13 y 19 horas). Por lo regular este mtodo genera mucha discrepancia

con los anteriores, por lo que debe verificarse para mayor exactitud.

Temperaturas medias mensual y anual. Son los promedios de las temperaturas medias

diarias y medias mensuales respectivamente.

Temperatura mxima diaria. Es el valor de temperatura ms alto registrado a lo largo del

da.

Temperatura mnima diaria. Es el valor de temperatura ms bajo registrado a lo largo del

da.

Existen otros valores particulares registrados por una estacin meteorolgica que

pueden ser reportados y que estn basados en clculos aritmticos a partir de los datos

anteriores, tales como temperaturas mximas y mnimas mensuales, temperaturas absolutas

y normales.

IV.2 Humedad.

La humedad es el tercer ingrediente bsico, junto con el calor y el movimiento, que

determina el clima sobre la tierra. No solo proporciona el agua para la formacin de nubes

y precipitaciones, sino tambin a travs de los cambios de estado; esta ntimamente ligado

con grandes cantidades de energa en la forma de calor latente. Entonces se puede decir que

la funcin del agua en las condiciones climticas y ambientales es esencial. Su ausencia o

presencia en la atmsfera determina las caractersticas ambientales y de ah el clima. Por

otro lado, el cambio de estado fsico del agua juega un papel fundamental en los procesos

de intercambio de energa. El agua se presenta en diferentes formas en la tierra-atmsfera,

en forma propiamente lquida (lagos, mares), en forma de gas (nubes, vapor) y slida

(hielo, nieve); por lo que la transicin de un estado a otro conlleva a la eliminacin o a la

absorcin de calor hacia las inmediaciones del sistema. En la tabla 4.2 se muestran los

porcentajes globales que cubren los distintos estados en que se presenta naturalmente el

agua.

El conocimiento del contenido de humedad en una sustancia es de vital importancia.

En la elaboracin de papel es una variable que debe ser controlada; el cuidado de obras de

arte y libros requiere el control de humedad del ambiente; el confort personal depende en

gran parte de la humedad presente en el aire. En muchas reas de investigacin, se requiere

conocer la humedad ambiente para garantizar un funcionamiento correcto y seguro del

equipo; y el crecimiento de los vegetales depende del contenido de humedad en el suelo, la

planta y la atmsfera.

La cantidad de evaporacin que se efecta sobre la superficie depende de la

disponibilidad de humedad en la superficie y del gradiente de presin de vapor entre la

superficie y del aire sobre ella.

Ya que siempre hay abundancia de humedad en la superficie de los ocanos, en

general hay ms evaporacin sobre ste que sobre los continentes en latitudes similares. En

contadas reas de tierra, particularmente aquellas cubiertas por abundantes selvas

tropicales, la evaporacin ms la transpiracin de humedad de las plantas puede exceder la

produccin de vapor sobre ocanos adyacentes, ya que las hojas de los rboles presentan

ms superficie evaporativa al aire que la superficie del mar. Sin embargo, estas reas son

ms excepciones que la regla. Tales reas selvticas existen en regiones ecuatoriales. En

estas zonas se reunen las condiciones climticas propicias para que se presente este

fenmeno; grandes cantidades de nubosidad y alta humedad atmosfrica, las cuales tienden

a reducir los gradientes de presin de vapor y por lo tanto, la evaporacin.

Dentro de las reas ocenicas, los ocanos subtropicales afectados por clulas de

alta presin subtropical experimentan la mayor evaporacin, ya que el aire presente es

generalmente claro y seco. El intenso calentamiento del sol junto con la continua reposicin

con aire fresco y seco proveniente de lo alto producen una presin de vapor baja en la

superficie del aire con respecto a la superficie del mar.

An as, la mayor cantidad de evaporacin en la tierra ocurre a latitudes un poco

mas altas, cerca de la costa este de Norteamrica entre Carolina del Norte y Nueva Jersey.

Una situacin similar ocurre cerca de la costa sureste de Japn, pero no tan pronunciada.

Los altos valores anuales es estas reas se encuentran enteramente bajo condiciones de

invierno.

Tabla 4.2. Formas en que se presenta el agua en el sistema tierra-atmsfera.

% del total de agua Formas de presentacin 97 Agua salina de ocanos

2.25 Hielo es cascos polares y glaciares 0.75 Aguas subterrneas 0.3 Lagos y embalses 0.06 Humedad en la tierra 0.033 Humedad atmosfrica, nubes 0.03 Ros

IV.2.1 El ciclo hidrolgico.

Se conoce como ciclo hidrolgico al movimiento peridico del agua, causado por

los complejos procesos de cambio de fase y de transporte que ocurren dentro del sistema

atmsfera - litsfera - hidrsfera (ver Figura 4.4).

Los dos componentes mas importantes del ciclo hidrolgico son la precipitacin y la

evaporacin. La precipitacin, o lluvia, puede ser causada por numerosas condiciones, pero

bsicamente el requisito es que una gran porcin de aire se enfre por debajo de su punto de

saturacin, para que se formen nubes que puedan conducir a la precipitacin. Una cantidad

considerable de lluvias se deben usualmente a uno o ms de los cuatro mecanismos de

enfriamiento o situaciones que provocan que la porcin de aire ascienda a la atmsfera.

1. Topografa. Cuando tierras altas fuerzan al aire a ascender.

2. Conveccin. Cuando la radiacin trmica inferior causa una ascensin.

3. Deslizamiento. Cuando aire tibio corre sobre aire fro (o es subseccionado por

ste).

4. Convergencia. Cuando dos masas similares de aire estn en curso de colisin.

Los ltimos dos mecanismos son muy parecidos, solo que el tercero se refiere a

temperaturas y climas fros, mientras que el cuarto ocurre en regiones cercanas al ecuador.

Las lluvias intermitentes, donde se suceden cambios rpidos en intensidad y duracin con

respecto a la localizacin, son generalmente provocados por conveccin, mientras que las

lluvias estables son generadas por otras causas.

CondensacinCondensacin

Evaporacin

Precipitacin

Evap.mientras

cae

Evap.mientras

caePrecipitacin

EvaporacinTranspiracin

Escurrimientos

AguaTierra

Infiltracin

PercolacinAguas subterraneas

Figura 4.4. Esquema del ciclo hidrolgico.

Las precipitaciones slidas (nieve, hielo y granizo) pueden producirse cuando las

temperaturas dentro de la nube y entre la base de sta y la superficie terrestre estn por

debajo del punto de congelacin; ntese que las temperaturas en la superficie de la nube

pueden estar sobre ese punto. El granizo puede generarse por otras causas, tales como

corrientes fras en la superficie de la tierra que pueden enfriar las gotas de lluvia hasta

congelarlas, resultando en gotas supercongeladas al tocar la superficie de la tierra.

La presencia de partculas slidas, como el polvo, en las capas superiores de la

atmsfera son causantes de la formacin de granizo.

IV.2.2 Instrumentos comunes.

Existe una gran variedad de marcas de instrumentos y sensores de humedad en el

mercado, pero todos tienen los mismos principios de operacin, por lo que no hay mucho

terreno para escoger el tipo de sensor que habr de utilizarse. A continuacin se describirn

brevemente los mtodos y principios de operacin de estos instrumentos.

- Membranas higroscpicas y cabellos. El principio menos cientfico pero ms simple hace

uso del hecho que algunos materiales orgnicos alteran sus dimensiones con respecto a su

contenido de humedad. El cabello humano, por ejemplo, es utilizado en registradores de

humedad con un sistema de tiempo. El cabello se extiende un 3% desde cero hasta su

contenido mximo de agua. A este tipo de equipos se les conoce como higrmetros.

Algunos instrumentos comerciales utilizan el movimiento producido por cabellos humanos

tratados o fibras de celulosa para operar un transductor de microdesplazamiento, o bien un

transductor inductivo solenoidal, y generar una seal elctrica. Es de esperarse que tales

instrumentos trabajen dentro de un rango de algunos porcentajes de exactitud en HR, por lo

que se recomienda que se utilicen solo en el rango de 15-90% de HR y a temperaturas de 1

a 40C. Su operacin es susceptible a efectos de desajustes, a respuestas errticas y

necesitan de calibracin constante [16].

- Procedimientos de bulbo seco y bulbo hmedo. Este principio ya fue descrito

anteriormente, (ver bulbo seco y bulbo hmedo en la seccin de temperatura) y el mtodo

de medicin es ampliamente utilizado en estaciones climatolgicas con el fin de determinar

una aproximacin de la humedad relativa y el punto de roco. A los instrumentos se les

conoce como psicrmetros y pueden encontrarse en una gran variedad de presentaciones y

configuraciones en el mercado.

- Resistividad. La resistencia entre electrodos conectados a una sustancia humedecida como

el papel o el suelo es una medicin del contenido de humedad. La variacin de la

resistencia con respecto al contenido de humedad es predominantemente logartmico, pero

los valores dependen en gran manera de la presencia de contaminantes y sales en solucin

que produzcan electrolitos. La utilizacin de tcnicas de medicin con corriente alterna

(CA) es mejor, ya que reduce el efecto electroltico. Los sensores de malla vaporizada (que

son prolongaciones de oro intercaladas sobre un sustrato inerte) son un arreglo en donde

vara la resistividad. Con este principio tenemos el sensor Warren, que consiste en una base

de plstico especial con una malla de plstico conductor sensible a la humedad. Aqu

tambin la respuesta es logartmica y existen pequeos coeficientes por efectos de

temperatura e histresis. El sensor Dunmore esta hecho de dos alambres espirales formando

electrodos en un arreglo cubierto de cloruro de litio.

- Capacitancia. La variacin de la capacitancia tambin se utiliza en la medicin de la

humedad. Los sensores ms sencillos usan platos separados por el medio de inters para

formar un capacitor y se emplean ajustes diferenciales para reducir errores. Para medir la

humedad del aire se ha fabricado un sensor a partir de una cinta de aluminio anodizado

poroso, con sus caras cubiertas con oro como electrodos. Este arreglo funciona como un

capacitor de xido de aluminio en el cual la humedad se difunde dentro de los poros.

- Detectores del punto de roco. La forma mas obvia para detectar la aparicin (o

desaparicin) de humedad es monitorear pticamente la reflectancia de una superficie

especulada. Algunos instrumentos hacen precisamente esto. Los equipos mas sencillos

deben operarse manualmente, aunque este mtodo no ha escapado a la automatizacin. El

mtodo Spanner utiliza dos uniones termopares, una seca y la otra en el ambiente activo. El

voltaje generado es ledo por la unidad en seco. Entonces se emplea el efecto Peltier,

enfrindola por un intervalo de tiempo, permitiendo que el agua se condense sobre l.

Entonces es cuando se vuelve a operar el circuito para medicin: el voltaje medido se

relaciona con el punto de roco.

- Hidrlisis. Una delgada pelcula de pentxido de fsforo, mantenida entre dos electrodos

de metal noble, absorbe la humedad del gas muestreado cuando pasa a travs de ella. Un

voltaje en corriente directa que cruza por los electrodos disocia el agua en hidrgeno y

oxgeno. La corriente circulante de electrlisis es una medida del contenido de humedad y

puede cubrir rangos de 0 - 100 hasta 0 - 10,000 ppm, con alrededor de un 5% de exactitud

de la escala completa seleccionada [21].

IV.2.3 Formas de reportar mediciones de humedad.

Existen muchas definiciones de contenido de agua y es necesario tener un

entendimiento bsico de stas para comprender las tcnicas empleadas para monitorearla.

La ley de Dalton establece que cada gas en la atmsfera, incluyendo el vapor de

agua, genera una presin. La presin atmosfrica total (presin de aire) es la suma de todas

las presiones parciales de los gases componentes. De aqu puede pensarse que todos los

gases pueden licuarse si la temperatura se reduce lo suficiente. Consecuentemente,

podemos ver que si un gas conteniendo vapor de agua es enfriado, se llega al punto donde

el agua comienza a licuarse o condensarse. Esta es la temperatura del punto de roco, la

cual ocurre donde el sistema gas-vapor esta saturado de agua.

Otras maneras de definir la cantidad de agua son las siguientes:

Presin absoluta. Si se considera que la componente de presin de vapor de agua es

generalmente entre 0 y 4% de la presin total atmosfrica, y es expresada en las mismas

unidades en que se mide la presin de aire (milibares, y recientemente kilopascales) debido

a que la presin promedio a nivel del mar es alrededor de 1000 mb, la presin del vapor de

agua (e) o presin absoluta, andar entre 0 y 40 mb.

Humedad absoluta. Es la verdadera cantidad de vapor de agua contenido en la atmsfera.

Es el peso del vapor de agua por unidad de volumen de mezcla aire-vapor. Este valor tiene

una gran dependencia con la presin, por lo que se ve afectado con la altura.

Humedad relativa, HR. Expresa la cantidad de agua presente, comparada con la mxima

que podra haber a la temperatura de inters (la cantidad de vapor de agua presente slo se

aplicara para una temperatura dada). Se expresa como un porcentaje y es probablemente la

unidad ms comnmente utilizada fuera de las reas de control de procesos.

Partes por milln, ppm. Expresan el contenido de agua en virtud del peso del agua o de su

volumen con respecto al peso o volumen total de la muestra. Debido a que estos son valores

adimensionales, se debe tener cuidado en especificarlos como por peso o por volumen

en los reportes.

Temperatura de bulbo hmedo. Como ya se mencion en la seccin de temperatura, es la

temperatura mas baja a la que puede ser enfriado el aire por medio de la evaporacin del

agua. Si el aire esta saturado, no se absorber ms humedad, as el bulbo no podr enfriarse

ms. (Esta es la misma razn por la que los enfriadores evaporativos no proporcionan

mucho enfriamiento en climas hmedos). La temperatura de bulbo hmedo es igual al

punto de roco, pero siempre es mayor que la temperatura y esta diferencia se incrementa

cuando la humedad relativa decrece.

Relacin de mezclado. Es la relacin en peso del vapor de agua con respecto al aire seco.

Esta manera de reportar humedad no es muy comn encontrarla en reportes

meteorolgicos; sin embargo puede efectuarse esta medicin fcilmente por medio de un

psicrmetro, para fines de diseo y operacin de equipo.

En un reporte meteorolgico ordinario, la informacin sobre humedad atmosfrica

regularmente se presenta como humedad relativa, debido principalmente a la facilidad para

obtener su valor, as como a su significancia. Un hecho importante es que la humedad

relativa no es un buen indicador de las condiciones hmedas del aire a menos que se

especifique la temperatura en ese momento, lo cual en la mayora de los casos no es as.

IV.3 Viento.

El viento, como la temperatura y la humedad, es de inters casi universal. Por

mucho tiempo ha sido un factor crucial en la aviacin y la navegacin y es en ciertos casos

destructivo, por lo que est siendo tomado en cuenta ms frecuentemente y con un mayor

entendimiento durante el diseo de grandes estructuras. Su uso como una fuente de energa

est ocupando renovado inters por la adquisicin de datos de vientos favorables.

Ambos, la velocidad y la direccin del viento, son extremadamente variables. Esa

variabilidad en el espacio y el tiempo debe ser entendida y utilizada en algunas

aplicaciones de datos referentes al viento, como la dispersin de contaminantes, el clculo

y el diseo de equipos solares trmicos y en el balance trmico en edificaciones. Debido a

su variabilidad, una simple medicin instantnea no es representativa de un viento medido

en el mismo lugar un poco antes o despus.

IV.3.1 Causas de generacin del viento.

Existen diversas causas o procesos que son motivo de generacin de vientos. Una

definicin bsica y aceptable de viento sera: el movimiento del aire sobre la componente

horizontal de la superficie de la tierra.

Para explicar uno de los procesos de generacin, vamos a suponer que la tierra est

en estado esttico y recibiendo una cantidad constante de energa solar sobre su superficie.

Bajo estas condiciones, la regin ecuatorial recibira mas calor que las reas polares,

provocndose entonces un gradiente de presin entre el aire fro de las regiones polares y el

aire ligero y tibio del ecuador. La circulacin resultante entonces sera tericamente una

clula vertical sencilla entre el ecuador y el polo. Entonces se inducira a un movimiento de

los polos al ecuador sobre la superficie de la tierra y del ecuador a los polos por encima

(ver Figura 4.5).

La suposicin anterior explica la generacin convectiva del viento. Pero la tierra no

est esttica en el espacio, sino que est rotando sobre un eje, y por lo tanto las corrientes

de viento que se mueven de norte a sur fluyen sobre un plano rotatorio de referencia desde

el cual se juzga dicho movimiento. Un observador en el espacio percibir las corrientes de

aire curvndose con respecto a su referencia aunque para un observador sobre la superficie

de la tierra parezcan moverse en lnea recta. Ya que la tierra se mueve de oeste a este, su

rotacin, vista del polo norte, es en sentido contrario a las manecillas del reloj. Por

consiguiente, en el hemisferio norte esta aparente deflexion de un objeto movindose sobre

la superficie de la tierra parecer ser en el sentido de las manecillas del reloj, o hacia la

derecha. Asmismo, si se observa el desplazamiento en el polo sur, se ver el fenmeno de

las corrientes trasladndose hacia la izquierda sobre la superficie terrestre. Esta aparente

fuerza se conoce como fuerza de Coriolis en honor de G.G. Coriolis (1792-1843), un

matemtico francs que fue el primero en tratar cuantitativamente el fenmeno.

Ecuador

Polo norte

Polo sur

Figura 4.5. Corrientes hemisfricas convectivas sobre una tierra estacionaria y homogenea.

Ya que la fuerza de Coriolis es un movimiento relativo entre un objeto que se

mueve y la superficie rotatoria de la tierra, la fuerza de Coriolis se incrementa con la

velocidad del objeto mvil. No importa que direccin toma el objeto, la fuerza de Coriolis

es directamente proporcional al movimiento, a la derecha en el hemisferio norte y a la

izquierda en el hemisferio sur (Figura 4.6).

Entonces, tenemos dos fuerzas bsicas actuando sobre el aire, el gradiente de

presin (la presin disminuye de un lugar a otro) y la fuerza de Coriolis. Tan pronto como

estas dos fuerzas se desequilibran una con respecto a la otra, el aire cambiar su velocidad

y/o direccin, entrando en balance una fuerza con otra.

Las consideraciones anteriores suponen un flujo areo sin friccin, y esto es

esencialmente cierto por encima de las influencias de la superficie de la tierra, alrededor de

los 300 a 600 metros de altura. Pero en la superficie terrestre, la friccin entre el viento y la

superficie por debajo se convierte en una fuerza significante que debe considerarse. Un

equilibrio entre la presin, la fuerza de Coriolis y la friccin resulta en una velocidad y

direccin global constante del viento, cruzando las isobaras en ngulo algo agudo,

generalmente entre 15 y 30 sobre los continentes y algo menor sobre los ocanos. Existen

adems otras fuerzas que afectan localmente la velocidad y direccin del viento, tales como

el momento del movimiento, la resonancia y el flujo celular entre otras.

Tierra

Polo norte

Figura 4.6 Efecto coriolis sobre las corrientes convectivas terrestres

IV.3.2 Instrumentos comunes.

Debido a que en el estudio climatolgico son dos las variables de principal

importancia, la velocidad y la direccin de viento, nos enfocaremos a la descripcin de los

instrumentos para estas dos variables, su principio fsico y su configuracin.

- Anemmetro. Es un instrumento que permite conocer la velocidad del viento y adems

totalizar la distancia recorrida por el viento en un perodo de tiempo. Existen diferentes

tipos y configuraciones para anemmetros, dede los de lectura directa, que utilizan hlices

o copas, hasta los que emplean mtodos indirectos, como los anemmetros de tubo Venturi

o los anemmetros diferenciales. Quizs el ms comn sea el de copas, que consiste en un

eje rotor vertical con copas fijas en la parte superior. En la parte inferior el eje puede estar

acoplado a un sistema mecnico contador de giros, o totalizador, el cual servir para

determinar la distancia que recorre el viento en cierto tiempo. El eje del anemmetro puede

estar conectado tambin a un sistema mecnico-magntico que genere una corriente pulstil

que pueda ser contada, con el fin de determinar la velocidad instantnea del viento.

- Lmina Beaufort. (Figura 4.7) Este equipo sirve para determinar la velocidad instantnea

del viento. Consiste en una lmina vertical montada sobre un soporte que permita el

movimiento de la lmina en un solo eje. Detrs de la lmina hay una escala graduada en

velocidad y calibrada al tipo de lmina del instrumento. Cuando el viento golpea una cara

de la lmina, esta gira sobre las bisagras del soporte, elevndose por un perodo corto de

tiempo, permitiendo comparar su elevacin con la escala graduada.

Soporte

Bisagras

Escala Beaufort

Lmina

Figura4.7. Lmina y escala Beaufort.

En la tabla 4.3 se muestra la carta de observacin de Beaufort. Este fue uno de los

intentos serios de medir la magnitud de la velocidad del viento. Como se observa, en la

tabla se encuentran dos escalas, una para viento continental y otra para viento martimo,

cada una con sus respectivas unidades y manifestaciones naturales.

Debido a que el aire debe incidir perpendicularmente sobre la cara de la lmina,

generalmente este instrumento se encuentra montado en el mismo eje que soporta a algn

instrumento posicionador (p.e. una veleta). En un principio la lmina Beaufort serva como

indicador visual de la velocidad instantnea del viento, pero su aplicacin est cayendo en

desuso, principalmente por la evidente inexactitud de las lecturas que supone la

determinacin visual de la velocidad del viento.

Tabla4.3. Escala de Beaufort.

Gra- Velocidad en Caracteres en Caracteres en el mardo Nombres Nudos km/h la tierra Altura de olas

(metros) Nombres

0 Calma 118 Verdadera catstrofe >14.0 De enorme peligro

- Veleta. Este es un instrumento que sirve para determinar la direccin del viento. Es el

instrumento de medicin meteorolgica mas conocido y antiguo. En un tiempo se utilizaron

diferentes tipos de materiales, desde simples banderillas sujetas a una vara, hasta

elaboradas abras de arte hechas por los chinos, que simulaban peces y que atrapaban las

corrientes de aire por su boca. El modelo de veleta ms comn consiste en un apuntador en

flecha montado en un vstago vertical giratorio. El extremo posterior del apuntador tiene

una placa vertical para alinear el apuntador. Existen diversos tipos de arreglos mecnicos y

elctricos acoplados a una veleta que permiten conocer la direccin exacta en la que sopla

el viento, eliminando de esta forma el error producido por la lectura visual.

IV.3.3 Formas de reportar mediciones de velocidad y direccin del viento.

Las mediciones de direccin del viento, con respecto al tiempo, describen la

direccin del flujo de aire del punto de medicin y, con el conocimiento del dominio

espacial y de las caractersticas de la direccin del flujo, dichas mediciones son utilizadas

para determinar el transporte de efluentes atmosfricos. La direccin del viento puede ser

medida por veletas dobles en los planos vertical y horizontal con respecto a la superficie de

la tierra. Las fluctuaciones indican la turbulencia atmosfrica y de ah las caractersticas de

la difusin. De esta forma, las mediciones de la direccin del viento pueden ser utilizadas

para definir, desde el lugar de la observacin, ya sea el flujo medio de aire (transporte) o la

intensidad de turbulencia (difusin), dependiendo del mtodo de muestreo de datos y de su

reduccin. Los datos de direccin de viento pueden ser reducidos por perodos especficos

de tiempo por medio de promediacin para definir el flujo medio de aire o para calcular

estadsticas de fluctuacin.

Las mediciones de velocidad de viento pueden ser usadas para determinar la

dilucin inicial del efluente, la velocidad a la que viaja y, con el conocimiento de la

estructura vertical de la velocidad de flujo medio del aire en las capas locales de la

atmsfera, la velocidad de transferencia vertical de los efluentes.

La tabla 4.4 muestra los lmites de exactitud y resolucin de datos registrados por

estaciones climatolgicas segn la Agencia de Proteccin Ambiental (EPA) y el Centro

Nacional de Investigaciones (NRC). Estas instituciones americanas son las encargadas de

regular y estandarizar las mediciones realizadas en EU, y son muchos los pases que toman

dichas disposiciones para estandarizar sus propias mediciones.

La direccin generalmente se expresa en grados a partir del norte geogrfico en el

sentido de las manecillas del reloj (N=0, E=90, S=180, O=270), o bien, en rumbos

geogrficos dados por una rosa de los vientos (N, S, E, O y sus intermedios). La velocidad

de viento puede reportarse de diferentes unidades, pero siempre en trminos de velocidad.

Las ms comunes son metros/segundo, kilmetros/hora, nudos/hora, pies/segundo y

millas/hora.

Tabla 4.4. Exactitud y resolucin de datos registrados.

Variable Exactitud de medicin Resolucin EPA NRC de medicin

Direccin del viento () 3 (para promedios 10 min.) 5 (para valores instantneos) 1 Velocidad de viento, U,

(m/s) 0.25 (U < 5), 5%

2.5 (U > 5) 0.2 0.1