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Sin t

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Title: Sin t tulo de diapositiva Author: Antonio Last modified by: Antonio.Barbero Created Date: 8/22/2004 5:28:48 PM Document presentation format – PowerPoint PPT presentation

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Title: Sin t


1
LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice
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 Belmonte Antonio
J. Barbero
2
ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y LA SUPERFICIE DEL
PLANETA
Equipo docente Alfonso Calera Belmonte Antonio
J. Barbero
Departamento de Física Aplicada UCLM
3
FORMACIÓN DE LA TIERRA
Teoría de acreción de planetesimales
Diferenciación de la estructura en función de la
densidad
Adaptado de http//zebu.uoregon.edu/internet/imag
es/earthstruc.gif
4
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA
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.
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 atmósfera
Baja proporción actual de CO2 en la atmósfera
Predominio del nitrógeno
La atmósfera actual
Presencia de otros componentes (pequeña
concentración)
Presencia de una importante fracción de O2
http//www.xtec.es/rmolins1/solar/es/planeta02.ht
m
Información adicional http//faculty.weber.edu/b
dattilo/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

6
ATMÓSFERA ESTÁNDAR (2)
  • Desde los 32 a los 47 km la temperatura aumenta
    según la relación T 228.65 K (2.8 K/km)(H-32
    km) (H altura en km)
  • En este nivel la presión se calcula mediante P
    8.68 hPa (228.65 K/T)12.2011
  • Desde los 47 a los 51 km la temperatura se
    mantiene constante e igual a 270.65 K
  • En este nivel la presión se calcula mediante P
    1.109 hPa exp(-0,1262(H-47km))
  • Resto de niveles superiores puede verse en las
    siguientes referencias A. Naya (Meteorología
    Superior en Espasa-Calpe) y, R.B.Stull
    (Meteorology for Scientists and Engineers)).

Fuente J. Almorox, http//www.eda.etsia.upm.es/c
limatologia/Presion/atmosferaestandar.htm
Calculadora de atmósfera estándar
(hasta 86 km) http//www.digitaldutch.com/atmosca
lc/
7
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS
La temperatura en la termosfera depende mucho de
la actividad solar y puede variar entre 500 ºC y
1500 ºC.
Exosfera
TERMOPAUSA
Termosfera
(km)
MESOPAUSA
Mesosfera
ESTRATOPAUSA
Estratosfera
TROPOPAUSA
Troposfera
Temperatura (ºC)
Gráfico elaborado según datos de
http//www.windows.ucar.edu/tour/link/earth/image
s/profile_jpg_image.html
8
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA. TROPOSFERA
Mesosfera
Estratosfera
Troposfera
9
CAPA LIMITE PLANETARIA. LA CAPA DONDE
INTERACTUAN LOS SERES VIVOS
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
(Planetary Boundary Layer, PBL, o Atmospheric
Boundary Layer, ABL)
10
CONCEPTO DE CAPA LÍMITE
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.
TROPOPAUSA
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.
11
ALTURA DE LA TROPOPAUSA
Factores que influyen en altura de tropopausa
Estratosfera
Latitud
En el ecuador se encuentra más elevada que en los
polos
Estación del año
Troposfera
Temperatura de la troposfera
En condiciones ambientales de bajas temperaturas,
la tropopausa desciende debido a que en estos
casos la convección es menor.
Gráfica elaborada con datos de condiciones medias
anuales en http//www-das.uwyo.edu/geerts/cwx/no
tes/chap01/tropo.html
Información adicional Mapa de presiones en la
tropopausa (valores medios entre 1983 y 1998)
http//www.gfdl.noaa.gov/tjr/TROPO/TROPO.html
12
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE PRESIONES
13
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA
ALTURA
1. Difusión debida a movimientos moleculares
aleatorios
Tiende a producir una atmósfera en la que el peso
molecular medio de la mezcla de gases decrece con
la altura, de forma que en los niveles superiores
abundan los gases más ligeros cada gas
constituyente se comporta como si sólo él
estuviese presente, y la densidad de cada gas
decae exponencialmente con la altura, pero
la altura de referencia H es distinta para cada
gas, pues la densidad de los gases ligeros decae
más lentamente que la de los gases de mayor masa
molecular (M).
14
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA
ALTURA (2)
2. Mezcla por movimientos convectivos
La convección tiende a homogeneizar la
composición de la atmósfera. A niveles bajos el
recorrido libre medio es tan pequeño que el
tiempo necesario para separar componentes es
mucho mayor que el que requieren las turbulencias
para formar una mezcla homogénea.
Por tanto a niveles bajos la atmósfera es un
sistema cuyos componentes se encuentran muy bien
mezclados.
Límite aproximadamente a 100 km
A partir de esta altura la mezcla por convección
ya no es tan eficiente y se aprecian diferencias
de composición en función de la altura.
15
ESCAPE DE GASES DE LA ATMÓSFERA
Velocidad de escape aquella velocidad para la
cual la energía cinética de una partícula es
suficiente para escapar al infinito desde el
campo gravitatorio terrestre ( a una altura de 0
km, la velocidad de escape es alrededor de 11
km?s-1)
Escape de gases ligeros a lo largo de las eras
geológicas
16
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km (porcentajes)
Vapor de agua (altamente
variable) Hasta 4 (volumen)
Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs,
Atmospheric Science an introductory survey.
Academic Press
17
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
(partes por millón en moléculas)
Componentes minoritarios
Ozono 0-12 ppm
18
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA H2O
Los ejes NO están a escala
T3 0.01 C 273.16 K
P3 0.006112 bar
TC 374.15 C 647.30 K
PC 221.20 bar
19
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA CO2
Procesos geológicos y biológicos
Biosfera marina 1
Biosfera terrestre 1
Atmósfera (CO2) 70
Océano (CO2 disuelto) 4000
Combustibles fósiles 800
Sales 800000
Carbonatos 2000000
Presencia de oxígeno en la corteza terrestre
Sales de hierro, carbonatos y bicarbonatos
Fuente John M. Wallace y Peter V. Hobbs,
Atmospheric Science an introductory survey.
Academic Press. Tomado de P K Weyl,
Oceanography. John Wiley Sons, NY, 1970
Carbonatos formados mediante reacciones de
intercambio iónico (seres vivos)
H2CO3 Ca ? CaCO3 2H
H2O CO2 ? H2CO3
20
ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO
Datos del observatorio de Mauna Loa (Hawaii).
Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs,
Atmospheric Science an introductory survey.
Incrementos de concentración desde 1750
1750
280 ppm
Actual
360 ppm
Datos basados en http//zebu.uoregon.edu/1998/es2
02/l13.html
Más información sobre ciclo del carbono
http//www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.pht
ml?unten/klima/klimawandel/carbondioxid/concentra
tion.html
21
NITRÓGENO Y COMPONENTES MINORITARIOS
El contenido original ha sido poco alterado a
causa de su baja reactividad
AZUFRE Inyectado en atmósfera por
erupciones volcánicas en forma de sulfuro
GASES NOBLES He, Ar
22
EL OXÍGENO
LA PRESENCIA DE O2 EN LA ATMÓSFERA ESTÁ LIGADA A
LOS PROCESOS BIOLÓGICOS
FUENTES DEL OXÍGENO ATMOSFÉRICO
Primeros organismos (ambiente reductor?) ?
4?109 años
23
PRESIÓN, TEMPERATURA, VIENTO Y PRECIPITACIÓN
24
PRESIÓN. Concepto y unidades
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
25
ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE DESCRIBEN EL
ESTADO DE LA ATMÓSFERA (2)
Magnitud física que expresa la acción de un
fluido 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.
Unidad SI Pascal
Se define el pascal como la presión ejercida por
una fuerza de 1 N sobre 1 m2.
Otras unidades
Conversor de presión http//www.lenntech.com/espa
nol/Calculadoras/presión.htm
26
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Debida al peso de la columna de aire que se
encuentra por encima de un lugar
Por debajo de 100 km, para una altura dada, la
presión está prácticamente siempre dentro de un
intervalo de un ?30 de un valor estándar.
27
PRESIÓN Su variación con la altura en la
atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos
dp - ? g dz
La presión, p,Pa disminuye con la altura a un
ritmo que depende del valor de la densidad ? kg
m-3 y de la aceleración de la gravedad, g m
s-2, que a su vez varían con la altura, z m.
Variación de la presión con la altura
Presión a nivel de mar (altura cero)

1 atm 101.325 kPa (Atmósfera
estándar) Presión atmosférica a diferentes
alturas Ecuación válida para la troposfera
p kPa z m
28
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2) Deducción de la ecuación
de variación de la presión con la altura
Combinando ec. de estado de gases ideales con la
ec. de de la hidrostática y asumiendo una
disminución lineal de la temperatura con la
altura T To a z
29
PRESIÓN Su variación con la altura en la
atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos
dp - ? g dz
La presión, p,Pa disminuye con la altura a un
ritmo que depende del valor de la densidad ? kg
m-3 y de la aceleración de la gravedad, g m
s-2, que a su vez varían con la altura, z m.
30
VIENTO
Aire en movimiento. Flujo de aire relacionado,
entre otros factores, con diferencias de presión
? ?
Gradientes de presión
DIRECCIÓN DEL GRADIENTE LA DE MÁXIMA VARIACIÓN
DE LA PROPIEDAD ESCALAR
El aire tiende a desplazarse CONTRA el gradiente
de presión
... pero
falta considerar la rotación de la Tierra!
31
EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA
32
DESVIACIÓN DE CORIOLIS
Visto sobre la superficie
N
Desviación a la derecha respecto al sentido del
movimiento
S
Desviación a la izquierda respecto al sentido del
movimiento
33
VIENTO GEOSTRÓFICO
Viento geostrófico resultante del equilibrio
entre el gradiente de presión y la aceleración de
Coriolis. Fluye PARALELO a las isobaras
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
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
34
ANTICICLONES Y BORRASCAS
Hemisferio Norte la fuerza de Coriolis provoca
desviación hacia la derecha
B
En los anticiclones los vientos giran en sentido
horario
En las borrascas los vientos giran en sentido
antihorario
A
Hemisferio Sur la fuerza de Coriolis provoca
desviación hacia la izquierda
En los anticiclones los vientos giran en sentido
antihorario
A
B
En las borrascas los vientos giran en sentido
horario
35
CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA
Modelo simple
1
Vientos polares del este
2
Vientos del oeste
3
Alisios del noreste
Convergencia Intertropical
Alisios del sureste
Aire descendente en los polos fríos y ascendente
en las latitudes ecuatoriales cálidas
Vientos del oeste
Vientos polares del este
NO TIENE EN CUENTA LA ROTACIÓN DE LA TIERRA
Esquema de circulación atmosférica basado
en http//www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hur
r_ED_Center/Easterly_Waves/Trade_Winds/Trade_Winds
.html
36
VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
ÁRTICO
ANTÁRTICO
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 es un proceso en el que interviene el
viento y las características de la superficie a
través de la capa límite
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.
38
VARIACIÓN DIARIA DE LA CAPA LÍMITE
Mezclado capa límite
Calentamiento superficial
Salida del Sol
Reducción o desaparición turbulencias
Comienzo noche
Valores típicos ? 100 m (20 m - 500 m)
Enfriamiento del suelo
El viento, la temperatura y demás propiedades de
la capa límite sufren variaciones diarias menos
acusadas sobre superficies extensas de agua
(océanos y grandes lagos) debido a la mayor
capacidad calorífica de la capa de mezcla sobre
tales superficies.
39
VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (2)
La velocidad del viento depende de la altura
sobre el suelo
Perfil de velocidades
El perfil de velocidades es logarítmico.
Debe especificarse la altura a la que se sitúen
los anemómetros sobre el suelo en
agrometeorología la altura estándar es de 2 m.
Una superficie especial una superficie de
gramíneas homogénea (cesped, por ejemplo). Encima
de esta superficie el perfil de velocidades es
40
TEMPERATURA
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)
Se define el Kelvin como la fracción 1/273.16 de
la temperatura termodinámica del punto triple del
agua
Grado centígrado (ºC) K ºC 273.15
CASOS ESPECIALES
Temperatura del aire perfil vertical
PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECO
La variación de la temperatura del aire con la
altura en la atmósfera es el gradiente vertical
de temperaturas (air lapse rate).
EN LA ATMÓSFERA ESTÁNDAR
Conversor de temperaturas http//www.lenntech.com
/espanol/Calculadoras/temperatura.htm
41
TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas
Temperatura media diaria Tm
Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
Día de invierno
Día de verano
El momento en que se alcanza la temperatura
máxima diaria está desfasado respecto al
medidodía solar
42
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS
DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA
PROFUNDIDAD
Consecuencia de efectos de mezclado en la capa
límite
Perfiles en verano (datos media meses julio y
agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía
Física)
43
Temperatura y desarrollo biológico
El desarrollo de los organismos vivos está
relacionado con la temperatura. Las hipótesis más
usuales son
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.
44
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS. Grados día
Tiempo térmico (Grados-día, grados-hora,) ?t
(Ti Tb) ?t para Ti gt Tb, en otro caso
?t 0 ?t 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
?t intervalo temporal considerado día,
hora, Para el caso específico de intervalo
diario, ?t 1 día
gt Tb
Si
?t grados-día
45
Temperatura y desarrollo biológico (3)
Periodo diario, usamos
PRIMER VALOR gt 40 ºCDÍA
46
EL AGUA EN LA TIERRA, HIDROSFERA, EL AGUA EN LA
ATMÓSFERA PRECIPITACIÖN
47
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera.
Masa 1.361021 kg
Contenido actual de la hidrosfera dos órdenes de
magnitud INFERIOR al agua inyectada en ella
Filtraciones en puntos de subducción
Fotodisociación UV
48
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera (2).
FILTRACIONES DE AGUA HACIA EL MANTO
Océano
Corteza oceánica
Corteza continental
Manto superior
49
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Fotodisociación agua
Molécula de agua
Alta atmósfera, condiciones de baja presión
Fotones de alta energía
Producción de radicales, recombinación formando
especies nuevas. En especial el hidrógeno tiende
a escapar.
50
CICLO DEL AGUA
BALANCE ATMÓSFERA
131012 m3
3611012 m3/año
33.61015 m3
621012 m3/año
3241012 m3/año
991012 m3/año
13501015 m3
Basado en http//ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides
/mtr/hyd/bdgt.rxml
51
CICLO HIDROLÓGICO
Britannica,2004
52
PRECIPITACIÓN
LLUVIA
53
PRECIPITACIÓN. SU MEDIDA
PLUVIÓMETRO
1 litro
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.
PRECIPITACIÓN EN MILÍMETROS LITROS / m2
54
PRECIPITACIÓN. EJEMPLO
http//www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
55
MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS
LLANOS
Fuente datos en http//www.sao-albacete.org/tabla
P8175.html
56
Flujos de agua y de en la
superficie terrestre
57
BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN
Libros (inglés)
Revisión general sobre características de la
atmósfera (muy completo idioma
inglés) http//ceos.cnes.fr8100/cdrom-98/ceos1/sc
ience/dg/dgcon.htm
La atmósfera en capítulo 3 y ciclos de los
elementos en capítulo 4. http//www.esi.unav.es/as
ignaturas/ecologia/Hipertexto/00General/IndiceGral
.html
Discusión sobre el origen del oxígeno
atmosférico http//matap.dmae.upm.es/Astrobiolog
ia/Curso_online_UPC/capitulo11/10.html
Sobre CO2 en la atmósfera (idioma
inglés) http//www.iitap.iastate.edu/gccourse/che
m/gases/gases_lecture_es.html
Sobre aceleración de Coriolis (idioma
inglés) http//zebu.uoregon.edu/js/glossary/corio
lis_effect.html http//ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/
guides/mtr/fw/crls.rxml
Sobre anticiclones y borrascas http//vppx134.vp.e
hu.es/met/html/diccio/anticicl.htm http//vppx134.
vp.ehu.es/met/html/diccio/borrasca.htm
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