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Sin t

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

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Title: Sin t


1
UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
FÍSICA AMBIENTAL APLICADA
Tema 2. LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA
Departamento de Física Aplicada UCLM
Equipo docente Antonio J. Barbero García Alfonso
Calera Belmonte Pablo Muñiz García José Ángel de
Toro Sánchez
2
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
3
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA
Formada originalmente por los gases emitidos por
componentes volátiles internos y erupciones
volcánicas. 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
4
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km (porcentajes)
Vapor de agua Hasta 4 (volumen)
Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs,
Atmospheric Science an introductory survey.
Academic Press
5
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
(partes por millón en moléculas)
Componentes minoritarios
Ozono 0-12 ppm
6
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
7
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA H2O (2)
8
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
9
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera (2).
FILTRACIONES DE AGUA HACIA EL MANTO
Océano
Corteza oceánica
Corteza continental
Manto superior
10
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.
11
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
12
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
13
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
14
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
15
ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE DESCRIBEN EL
ESTADO DE LA ATMÓSFERA
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
16
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
17
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Debida al peso de la columna de aire que se
encuentra por encima de un lugar
Ecuación de los fluidos
Densidad del aire ? decrece con la altura
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.
18
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2)
El aire es un fluido compresible
Densidad proporcional a la presión
19
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA
Partículas cargadas y no cargadas Colisiones muy
poco frecuentes
Termosfera
? 80 km
Mesosfera
Partículas cargadas (ionosfera)
? 50 km
Estratosfera
? 10 - 12 km
Troposfera
20
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
21
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

22
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/
23
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE PRESIONES
24
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
25
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).
26
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.
27
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
28
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!
29
EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA
30
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
31
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
32
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
33
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
34
VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
ÁRTICO
ANTÁRTICO
35
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.
36
CAPA LIMITE PLANETARIA
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)
37
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.
38
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.
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.
Para u2 1 m/s
Una superficie especial una superficie de
gramíneas homogénea (cesped, por ejemplo). Encima
de esta superficie el perfil de velocidades es
40
TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas
Temperatura media diaria Tm
Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
Datos de temperatura medidos a 10 m
Día de invierno 6 de enero 1999
Día de verano 1 de agosto 98
El momento en que se alcanza la temperatura
máxima diaria está desfasado respecto al
medidodía solar
41
CICLO DIARIO DE TEMPERATURA Y HUMEDAD
Presión de vapor de agua invariable a lo largo
del día 24 mb
42
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS (EN ALTURA)
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
Temperatura y desarrollo biológico (2)
Tiempo térmico (grados-día, grados-hora,)
para Ti gt Tb,
en otro caso ?t 0
Para el caso específico de intervalo diario, ?t
1 día
45
Temperatura y desarrollo biológico (3)
Periodo diario, usamos
PRIMER VALOR gt 40 ºCDÍA
46
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
47
CICLO DEL AGUA (2)
DETALLE DE MOVIMIENTOS DE AGUA EN LA BIOSFERA
Flujos en unidades de 1012 m3/año
32
68
100
Intercepción y transpiración
428
31
396
Estratos impermeables
Percolación profunda
Océano
1
Basado en Britannica 2004
48
PRECIPITACIÓN
LLUVIA
49
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
50
PRECIPITACIÓN. EJEMPLO
http//www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
51
MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS
LLANOS
Fuente datos en http//www.sao-albacete.org/tabla
P8175.html
52
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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