39
1 LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice A m b i e n t a l F í s i c a 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

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1

LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice

Ambiental

Física

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 BelmonteAntonio J. Barbero

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2

ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA

Ambiental

Física

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y LA SUPERFICIE DEL PLANETA

Equipo docente:Alfonso Calera BelmonteAntonio J. Barbero

Departamento de Física AplicadaUCLM

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4

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.

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA

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 atmósferaBaja proporción actual de CO2 en la atmósfera

Predominio del nitrógeno

Presencia de otros componentes (pequeña concentración)

Presencia de una importante fracción de O2

La atmósfera actual

Ambiental

Física

http://www.xtec.es/~rmolins1/solar/es/planeta02.htm

Información adicional: http://faculty.weber.edu/bdattilo/shknbk/notes/atmsphrorgns.htm

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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

Ambiental

Física

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7C

apa

hom

ogén

ea

Altura

(km)

500/1500 Temperatura (ºC)-50 0 50 100 150 200-100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

490

500

510

520 Exosfera

Termosfera

Mesosfera

Estratosfera

Troposfera

ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS

TROPOPAUSA

ESTRATOPAUSA

MESOPAUSA

TERMOPAUSA

Gráfico elaborado según datos de http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/images/profile_jpg_image.html

TERMOPAUSA

La temperatura en la termosfera depende mucho de la actividad solar y puede variar entre 500 ºC y 1500 ºC.

Ambiental

Física

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8

Troposfera

Estratosfera

Muy seca, incremento concentración O3 Largos tiempos de permanencia de partículas

Mezcla vertical muy reducida

Mesosfera

LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA. TROPOSFERA

dT/dz -7 K·km-1

80% masa, 100% vapor de agua Suceden todos los fenómenos meteorológicos: circulación general atmosférica, nubes, borrascas, ciclones

99.9% masa

99% resto

1% resto Termosfera

Partículas cargadas (ionosfera)

Partículas cargadas y no cargadasColisiones muy poco frecuentes

TROPOPAUSA

ESTRATOPAUSA

MESOPAUSA

10 - 12 km

50 km

80 km

Ambiental

Física

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9

CAPA LIMITE PLANETARIA. LA CAPA DONDE INTERACTUAN LOS SERES VIVOS

Troposfera

PBL

(Planetary Boundary Layer, PBL, o Atmospheric Boundary Layer, ABL)

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

Los intercambios de energía y materia están relacionados con las turbulencias

Es una capa de mezcla

Dilución de contaminantes

Ambiental

Física

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10

CONCEPTO DE CAPA LÍMITE

1

10

100

1000

10000

Alt

ura

(ord

en d

e m

agni

tud,

m)

CA

PA

RU

GO

SA

CA

PA

SU

PE

RF

ICIA

LC

AP

A

EX

TE

RN

A

TROPOPAUSA

CA

PA

LÍM

ITE

TR

OP

OS

FE

RA

RUGOSIDADES SUPERFICIALES

Turbulencia: vórtices y remolinos asociados a diversas causas

BASE DE LAS NUBES

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.

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.

Ambiental

Física

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16

Componentes mayoritarios aire seco

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA

Vapor de agua (altamente variable): Hasta 4% (volumen)

Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press

Componentes mayoritarios aire seco(% masa)

COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km(porcentajes)

Ambiental

Física

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17

(partes por millón en moléculas)

Ozono: 0-12 ppm

Componentes minoritarios

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)

Ambiental

Física

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20

335

330

325

320

315

Concentración CO2 (ppm)

1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974Año

Datos del observatorio de Mauna Loa (Hawaii). Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey.

ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO

Incrementos de concentración desde 1750

Datos basados en http://zebu.uoregon.edu/1998/es202/l13.html

1750

Actual

280 ppm

360 ppm

29%

Ambiental

Física

Más información sobre ciclo del carbono: http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/carbondioxid/concentration.html

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23

PRESIÓN, TEMPERATURA, VIENTO Y PRECIPITACIÓN A

mbiental

Física

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24

PRESIÓN. Concepto y unidades

Ambiental

Física

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

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26

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Por debajo de 100 km, para una altura dada, la presión está prácticamentesiempre dentro de un intervalo de un 30% de un valor estándar.

Variación vertical >> variación horizontalz

Ambiental

Física

Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar

A

B

BpAp

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27

PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre

Ecuación de la estática de los fluidos:

Ambiental

Física

gdzdp

dp = - ρ g dz(p+dp)dS

pdS

ρ g dS dzdz

z La presión, p,[Pa] disminuye con la altura a un ritmo que depende del valor de la densidad ρ [kg m-3] y de la aceleración de la gravedad, g [m s-2], que a su vez varían con la altura, z [m].

Presión a nivel de mar (altura cero) : 1 atm= 101.325 kPa (Atmósfera estándar)

Presión atmosférica a diferentes alturas

Ecuación válida para la troposfera

26.5

293

0065.02933.101

z

p

p [kPa]; z [m]

Variación de la presión con la altura

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28

gTR

PdzdP

*

z

gdzdP

Combinando ec. de estado de gases idealescon la ec. de de la hidrostática y asumiendo una disminución lineal de la temperatura con la altura T = To – α z

)(** zT

dz

R

g

T

dz

R

gP

dP

o

zP

P

dzzoT

dz

R

gP

dP

0 )(*0

o

o

T

zTLnR

gPPLn

*0

PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2) Deducción de la ecuación de variación de la presión con la altura

Ambiental

Física

TRP *

*R

g

o

oo

T

zTPP

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29

PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre

Ecuación de la estática de los fluidos:

Ambiental

Física

gdzdp

dp = - ρ g dz(p+dp)dS

pdS

ρ g dS dzdz

z La presión, p,[Pa] disminuye con la altura a un ritmo que depende del valor de la densidad ρ [kg m-3] y de la aceleración de la gravedad, g [m s-2], que a su vez varían con la altura, z [m].

Presión a nivel de mar (altura cero) : 1 atm= 101.325 kPa (Atmósfera estándar)

Presión atmosférica a diferentes alturas

Ecuación válida para la troposfera

26.5

293

0065.02933.101

z

p

p [kPa]; z [m]

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30

Aire en movimiento. Flujo de aire relacionado, entre otros factores, con diferencias de presión

... pero

rur

PPgrad

Gradientes de presión +

ru

El aire tiende a desplazarse CONTRA el gradiente de

presión

VIENTO

1024

10201016

Magnitud escalar

-grad P

Escalar

Posición

DIRECCIÓN DEL GRADIENTE: LA DE MÁXIMA VARIACIÓN DE LA PROPIEDAD ESCALAR

falta considerar la rotación de la Tierra!

Ambiental

Física

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31

rvaa RR 2

Centrípeta

Coriolis

Aceleración medida en sistema en rotación

Aceleración medida en sistema en reposo

rvaa RR 2

Rv

Rv2

Rv 2

Polo Norte

RvRv 2

Trayectoria en un sistema de referencia inercial

Trayectoria en un sistema de referencia acelerado

EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA

Ambiental

Física

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32

Rv 2

Rv2

Desviación a la derecha respecto al sentido del movimiento

Rv2Rv 2

Desviación a la izquierda respecto al sentido del movimiento

N

S

Rv

Rv

DESVIACIÓN DE CORIOLISVisto sobre la superficie

Sentido del movimiento

Desviación de Coriolis

HEMISFERIO NORTE

HEMISFERIO SUR

Desviación de Coriolis

Sentido del movimiento

Ambiental

Física

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33

1016

1020

1024

-grad P

Fuerza gradiente de presión

Fuerza Coriolis

Dirección del viento

Rv 2

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

Viento geostrófico: resultante del equilibrio

entre el gradiente de presión y la aceleración

de Coriolis. Fluye PARALELO a las

isobaras

VIENTO GEOSTRÓFICO

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

Ambiental

Física

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34

Hemisferio Norte: la fuerza de Coriolis provoca desviación hacia la derecha

A

En los anticiclones los vientos giran en sentido horario

B

En las borrascas los vientos giran en sentido antihorario

ANTICICLONES Y BORRASCAS

Hemisferio Sur: la fuerza de Coriolis provoca desviación hacia la izquierda

AEn los anticiclones los vientos giran en sentido antihorario

B En las borrascas los vientos giran en sentido horario

Ambiental

Física

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35

BBBB Convergencia Intertropical

BB BB

BBBB

AA AAAA

AA AAAA

11

22

33

11 Célula polar 22 Célula de Ferrell 33 Célula de Hadley

Esquema de circulación atmosférica basado enhttp://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Trade_Winds/Trade_Winds.html

CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA

Modelo simple

Aire descendente en los polos fríos y ascendente en las latitudes ecuatoriales cálidas

NO TIENE EN CUENTA LA ROTACIÓN DE LA TIERRA

Vientos polares del este

Alisios del noreste

Vientos del oeste

Alisios del sureste

Vientos del oeste

Vientos polares del este

Ambiental

Física

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36

Círculo Polar Antártico

Círculo Polar Ártico

VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES

ÁRTICO ANTÁRTICO

Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida

Ambiental

Física

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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 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.

La fricción es un proceso en el que interviene el viento y las características de la superficie a través de la capa límite

Ambiental

Física

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39

VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (2)

Perfil de velocidades

Debe especificarse la altura a la que se sitúen los anemómetros sobre el suelo: en agrometeorología la altura estándar es de 2 m.

El perfil de velocidades es logarítmico.

Una superficie especial: una superficie de gramíneas homogénea (cesped, por ejemplo). Encima de esta superficie el perfil de velocidades es

87.4

42.58.67ln2

zuu z

u2 velocidad del viento a una altura de 2 m (m/s)

uz velocidad del viento a la altura z (m/s)

z altura sobre la superficie del suelo (m)

La velocidad del viento depende de la altura sobre el suelo

Ambiental

Física

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40

TEMPERATURA

Temperatura T 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)

Grado centígrado (ºC) K = ºC + 273.15

Se define el Kelvin como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua

Conversor de temperaturas:http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/temperatura.htm

Temperatura del aire: perfil vertical

La variación de la temperatura del aire con la altura en la atmósfera es el gradiente vertical de temperaturas (air lapse rate).

km

K

km

dz

dT

CASOS ESPECIALES

PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECO

EN LA ATMÓSFERA ESTÁNDAR

km

Cº 8.9

dz

dT

km

Cº 5.6

dz

dT

Ambiental

Física

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41

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

18

20

22

24

26

28

30

32

Tem

pera

tura

(ºC

)

Hora

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora

TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE

Existe un ciclo diario de temperaturas

2minmax

mTT

T

Temperatura media diaria Tm

Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin

med

iodí

a

med

iodí

a

Día de verano Día de invierno

Tmin

TmaxTmax

Tmin

El momento en que se alcanza la temperatura máxima diaria está desfasado respecto al medidodía solar

Ambiental

Física

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42

CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS

30 35 40 45 50T (ºC)

08:00

10:00

05:00

12:00

15:00

18:00

Altura

15 cm

30 cm

60 cm

1.20 m

10.0 m

2.40 m

-2 cm

-5 cm

-15 cm

Perfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)

Ambiental

Física

DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD

Consecuencia de efectos de mezclado en la capa límite

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43

Temperatura y desarrollo biológico

El desarrollo de los organismos vivos está relacionado con la temperatura. Las hipótesis más usuales son:

El ritmo de desarrollo es proporcional a la temperatura

El desarrollo ocurre cuando se supera una temperatura umbral o temperatura base, Tb, que depende de cada organismo. Para temperaturas por debajo de Tb se detiene el desarrollo.

La temperatura no supera el valor para el que se produce el máximo crecimiento, Tm. Temperaturas superiores a Tm podrían inhibir o detener completamente el crecimiento.

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.

Ambiental

Física

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44

CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS. Grados día

Ambiental

Física

Tiempo térmico (Grados-día, grados-hora,…)

Δτ = (Ti – Tb) Δt para Ti > Tb, en otro caso Δτ =0

Δτ 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 Δt intervalo temporal considerado [día, hora,…]

Para el caso específico de intervalo diario, Δt = 1 día

n

i i

TbTT

1 2

minmax 2

minmax TT > TbSi

Δτ [grados-día]

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45

Día Tmax Tmin

188 23,3 12,2189 23,9 9,4190 17,2 6,1191 21,1 7,8192 23,3 10,6193 29,4 12,8194 22,6 13,3195 15,0 5,6196 18,9 6,7197 17,2 10,0198 20,0 8,3199 25,6 10,0

Un cultivo tiene una temperatura base de 11ºC y requiere de un tiempo térmico de 40 grados-día para su emergencia. ¿Qué día germinará si ha sido plantado el día 188?. Usar los datos de la tabla.

EJEMPLO

6,812,413,116,522,532,639,5

41,343,947,153,9

41,3-0,7

17,816,711,714,517,021,118,010,312,813,614,217,8

Ti

6,85,70,63,56,0

10,17,0

-0,71,82,63,26,8

Ti -Tb

Temperatura y desarrollo biológico (3)

n

ib

i

minmax TTT

1 2

Periodo diario, usamos:

i

minmaxi

TTT

2

PRIMER VALOR > 40 ºC·DÍA196

Día de germinación del cultivo

Ambiental

Física

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46

Contenido de vapor de agua en la atmósfera

Limitada capacidad de retener agua en estado vapor

Saturación y condensación. Nubes

Precipitación y formación de océanosHidrosfera

http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/3.htmlInterdependencia del sistema

atmósfera / hidrosfera

EL AGUA EN LA TIERRA, HIDROSFERA, EL AGUA EN LA ATMÓSFERA

PRECIPITACIÖN

Ambiental

Física

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51

CICLO HIDROLÓGICO

Ambiental

Física

Britannica,2004

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53

1 m

1 m

1 m2

1 litro

1 mm

PRECIPITACIÓN EN MILÍMETROS = LITROS / m2

PRECIPITACIÓN. SU MEDIDA

PLUVIÓMETRO

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.

Ambiental

Física

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54

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO

1940-1960 26 25 32 38 50 28 8 18 35 47 22 28 357

1961-1990 24 26 30 52 41 38 9 13 25 40 39 30 366

1991-2000 19 28 22 28 47 35 13 11 49 39 28 34 354

2001 29 14 18 17 62 0 0 0 25 37 37 28 267

2002 13 2 31 65 51 63 0 24 28 38 33 26 374

ALBACETE/LOS LLANOS

Coordenadas: 39-00-25N 1-57-08W Altitud: 704m

Datos de precipitación (mm)

http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html

PRECIPITACIÓN. EJEMPLO

Ambiental

Física

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ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC0

10

20

30

40

50P

reci

pita

ció

n (

mm

)

Meses

B C D

1940-1960

1961-1990

1991-2000

MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS LLANOS

Fuente: datos en http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html

Ambiental

Física

Page 38: 1 LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice AmbientalAmbiental FísicaFísica 2.- LA ATMOSFERA TERRESTRE Origen y composición de la atmósfera La atmósfera estándar

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PrecipitaciónPrecipitación

Radiación SolarRadiación Solar

VientoVientoCOCO22

OO22

Fotosíntesis Fotosíntesis RespiraciónRespiración

IntercepciónIntercepción

InfiltraciónInfiltración

Goteo desde la Goteo desde la vegetaciónvegetación

Suelo:Agua disponible, nutrientes

Planta

Atmósfera

Evaporación

Transpiración

Percolación

Nivel freático

Zona no saturada

Zona saturadaRecarga y flujo

subterráneo

Ascenso capilar

Franja capilar

Escorrentía

Flujos de agua y de … en la superficie terrestre

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Sobre aceleración de Coriolis (idioma inglés)http://zebu.uoregon.edu/~js/glossary/coriolis_effect.htmlhttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/fw/crls.rxml

Sobre anticiclones y borrascashttp://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/anticicl.htmhttp://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/borrasca.htm

Sobre CO2 en la atmósfera (idioma inglés):http://www.iitap.iastate.edu/gccourse/chem/gases/gases_lecture_es.html

Libros (inglés)

BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN

S. Pal Arya, Introduction to Micrometeorology, 2th Edition. University Press.

Roland B. Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers

John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press

Ambiental

Física

Revisión general sobre características de la atmósfera (muy completo; idioma inglés)http://ceos.cnes.fr:8100/cdrom-98/ceos1/science/dg/dgcon.htm

La atmósfera en capítulo 3 y ciclos de los elementos en capítulo 4.http://www.esi.unav.es/asignaturas/ecologia/Hipertexto/00General/IndiceGral.html

Discusión sobre el origen del oxígeno atmosférico: http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/10.html