La atmósfera. Parte I

Tema 3. Parte I.

• Composición y estructura de la atmósfera.• El balance energético.• Dinámica atmosférica.

• Presión, humedad.• Convección, advección.• Gradientes de temperatura.• Fenómenos aerológicos.• Nubes y precipitación.

• Climatología.• Impactos en la atmósfera.• Riesgos derivados de la dinámica atmosférica.

Composición y estructura de la atmósfera.• El balance energético.• Dinámica atmosférica.



La atmósfera es la envoltura gaseosa de la Tierra (y por extensión de otros planetas).

1ª fase.

4500m.a.

•Envoltura de Hidrógeno y Helio.

•Esos son los compuestos más abundantes en el origen del Sistema Solar.

•Son compuestos volátiles que eran barridos por el viento solar.

2ª fase.

4400m.a.

•Atmósfera reductora (pobre en O).

• Se produce un aumento de la actividad volcánica,

• Aumenta su concentración progresivamente en CO2, CO, CH3, NH3 y H2O.

3ª fase.

2500m.a.

•Atmósfera oxidante (rica en O).

• La actividad de los primeros organismos fotosintéticos (estromatolitos)

disminuyen la concentración de CO2 y aumentan la de oxígeno (O2 y O3).

102

78%

21%

1%

Composición

Nitrógeno

Oxígeno

Resto

_Argón 0,93%

Dióxido de

Carbono 0,038%

Otros gases

0,032%

También existen partículas sólidas y líquidas en suspensión. Pese a la baja concentración de éstos, son vitales. Ej. Polvo atmosférico actúa como núcleo de condensación.

103

La atmósfera.Composición y estructura.

Las características y composición actuales de la atmósfera son resultado de la interacción entre los componentes del sistema Tierra.

La mayor proximidad al Sol supondría un barrido mayor por el viento solar.

Un planeta de masa menor, no tendría gravedad suficiente para mantener los gases de la atmósfera. Un planeta con masa superior, presentaría una densidad y presión atmosféricas también mayores.

De no existir organismos fotosintéticos, la composición sería muy distinta. Y en consecuencia la temperatura del planeta cambiaría.

103

De forma general podemos dividir la atmósfera en dos capas: - La HOMOSFERA: hasta 80 km de altitud, donde los gases se encuentran bien mezclados, y - La HETEROSFERA: A partir de esa cota. Los gases tienden a estratificarse en función de su densidad.


x

Atendiendo a criterios más estrictos de densidad, temperatura, composición… podemos establecer más de 2 capas concéntricas superpuestas, separadas por estrechas zonas de transición denominadas pausas.


x


104


TROPOSFERA:-Capa inferior, llega hasta 11km polos, 15km ecuador.- Movimientos por convección y fenómenos meteorológicos.- Casi la totalidad de CO2 y O2 está aquí (por estar en contacto con biosfera).- Descenso de la temperatura progresivo.


Al calentar un fluido, éste aumenta su volumen.

Al aumentar el volumen, su densidad disminuye.

Al tener menos densidad que el fluido que le rodea, asciende.

El fluido que está encima, más denso, desciende. Para ser calentado posteriormente por el foco de calor.

Densidad: es la cantidad de materia por unidad de volumen. D = m/v

Al tener más volumen, esas partículas de materia tienen más espacio para repartirse.


EFECTO DEL CALOR

1

2 3

4


ESTRATOSFERA:- Después de la tropopausa. De los 15 a los 50km de altitud.- Movimientos de aire de carácter horizontal.- Aquí se encuentra la capa de ozono (O3) (a partir de los 25km y con un espesor de mm).- Aumenta la temperatura progresivamente.

El ozono se crea y destruye por la serie de reacciones de Chapman.

PRODUCCIÓN NATURAL DE OZONO

Molécula de oxígeno (O2)

2 átomos de oxígeno (O)

Radiación UV

2 átomos de oxígeno (O)

2 moléculas de oxígeno (O2)

Molécula de ozono (O3)

Radiación UV

Molécula de ozono (O3)

Molécula de oxígeno (O2) y átomo de oxígeno (O)

Molécula de ozono (O3) y átomo de

oxígeno (O)

2 moléculas de oxígeno (O2)

DESTRUCCIÓN NATURAL DE OZONO

Esta última reacción es muy lenta, por eso no desaparece la capa de ozono.

x


MESOSFERA:- Hasta los 80km de altitud. Entre la estratopausa y la mesopausa.- Se enriquece en compuestos ligeros que se estratifican según su masa.- La temperatura desciende hasta alcanzar el mínimo en la atmósfera.- En la MESOPAUSA se pueden formar nubes noctilucentes, y es donde los meteoritos se tornan incandescentes.


Nubes noctilucentes


IONOSFERA o TERMOSFERA:- Hasta los 700km de altitud.- La moléculas de los gases se ionizan por los rayos UV, X, protones y neutrones.- La excitación energética genera altas temperaturas en la capa.


MAGNETOSFERA:- Hasta los 60.000km en la cara iluminada. Hasta 300.000km en la opuesta (viento solar barre partículas).- Aquí se producen las auroras boreales y australes.- Actúa como escudo frente al viento solar.

x



Gracias a esta composición, la atmósfera cumple una importante función protectora.

1. Impide la caída de meteoritos a la superficie terrestre (mesosfera).

2. Absorbe la radiación ionizante (magnetosfera).3. Absorbe los rayos UV (estratosferacapa de

ozono).

107

• Composición y estructura de la atmósfera.

El balance energético.• Dinámica atmosférica.



La atmósfera.El balance energético.

El balance entre la radiación recibida por nuestro planeta y la emitida es uno de los procesos que ha permitido el desarrollo de la vida en nuestro planeta tal y como la conocemos.

Transmisión de calor

Conducción

Propagación de calor debido a la agitación

térmica de las moléculas, no existiendo un

desplazamiento real de éstas.

Convección

Transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este

fenómeno sólo podrá producirse en

fluidos.

Radiación

Transmisión de calor entre dos cuerpos sin que entre ellos exista contacto ni conexión

por otro sólido conductor. Es una forma

de emisión de ondas electromagnéticas

x

Una de las formas más eficaces de almacenamiento energético y evacuación del calor es la evaporación-condensación del agua en la atmósfera. Durante un cambio de estado, un cuerpo absorbe energía, pero su temperatura no varía, pues esa energía es empleada en producir esa reorganización molecular.


Denominamos calor latente a la energía necesaria para producir un cambio de estado en una cantidad de materia concreta.Esa energía es acumulada cuando el agua pasa de líquido a gas (evaporación), y se libera al pasar de gas a líquido (condensación).

x


100

25

25

5

30

455 24 104

100

29

4

12

70

88

25

Emitida por la atmósfera

x


“El rollo” por escrito… EL EFECTO INVERNADEROEl balance energético de la Tierra depende, además de la radiación solar incidente, de las características físico-químicas de la atmósfera, lo que da lugar a las especiales condiciones térmicas de nuestro planeta, que lo hacen apto para la vida.

Los sistemas de absorción, reflexión y dispersión de radiación son los que generan el balance energético. Se trata de un equilibrio entre la energía recibida del Sol, y la energía radiante de la Tierra, lo que produce el beneicioso efecto invernadero. Sin él, la temperatura media en la Tierra sería de -20ºC, y no 15ºC.

La radiación solar de onda corta que llega a nuestro planeta puede ser reflejada directamente por la atmósfera, o atravesarla y ser reflejada por la superficie terrestre.Otra opción es que sea absorbida por la atmósfera o por la superficie terrestre (suelo y océanos), los cuales se calientan. Posteriormente puede ser reemitida al espacio en forma de radiación infrarroja.

x


“El rollo” por escrito… EL EFECTO INVERNADEROLa atmósfera es opaca a la mayoría de radiación infrarroja, de modo que es absorbida por los gases atmosféricos (de efecto invernadero), principalmente el vapor de agua, el dióxido de carbono, metano, y en menor medida ozono, óxido nitroso, y otros. Esto provoca el calentamiento de la atmósfera.

Ese calor es reemitido y radiado una parte al espacio, y otra, la mayoría, hacia la superficie terrestre (contrarradiación) generando el llamado EFECTO INVERNADERO.

Esta compensación energética se cumple a escala global, pero no a nivel local. En latitudes superiores a 45º la Tierra recibe menos energía de la que pierde, y a la inversa en latitudes inferiores a 45º. Este desequilibrio genera y alimenta la circulación general de la atmósfera y las corrientes oceánicas, que distribuyen calor por el planeta. Lo veremos más adelante.

x


Por tanto, la atmósfera también cumple una

importante función reguladora.

1. Absorbe y retiene parte de la radiación IR emitida por la Tierra (Efecto Invernadero).

2. Realiza una compensación de desequilibrios térmicos (“verticales”) mediante convección.

3. Realiza un transporte de energía (“horizontal”) con el transporte de masa de aire.

4. Intercambia gran cantidad de calor con el océano (agua tiene una alta inercia térmica).

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• Composición y estructura de la atmósfera.• El balance energético.

Dinámica atmosférica.• Presión, humedad.• Convección, advección.• Gradientes de temperatura.• Fenómenos aerológicos.• Nubes y precipitación.


La atmósfera.Dinámica atmosférica.

La meteorología es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren en las capas bajas de la atmósfera.

Para ello recaban datos relativos a diferentes parámetros como temperatura, presión, humedad, viento o precipitaciones.

Esos datos son luego integrados mediante el software adecuado para realizar predicciones, modelos y simulaciones.

112


•Fuerza por unidad de superficie ejercida por el aire sobre la Tierra.

•Determinada por Torricelli, quien demostró que a nivel del mar, 1 atm = 166

mmHg

•Dado que es la masa de los gases la que genera tal presión, es obvio que ésta

disminuye con la altitud.

•Se representa cartográficamente trazando isobaras, que unen puntos con la

misma presión.

Presión

Atmosf.

•Grado de saturación: Máxima cantidad de agua que puede contener un volumen

de aire a una P y T dadas. Por encima de tal valor, se inicia la condensación. El

punto de rocío es la temperatura a al que se alcanza esa saturación.

•Humedad absoluta: Cantidad efectiva de vapor de agua que contiene un

determinado volumen de aire.

•Humedad relativa: relación entre la humedad absoluta y el grado de saturación.

Es el valor más utilizado en meteorología para expresar la humedad.

Humedad

x


+ altitud- presión- compresión

- altitud+ presión+ compresión

Masa de aire

Se enfríacondensación


•Ascenso térmico.

•Convergencia.

•Ascenso orográfico.

•Subsidencia.

Convección

(vertical)

•Movimiento HORIZONTAL de las

masas de aire desde zonas de alta

presión (anticiclón) a zonas de baja

presión (borrasca).

Advección

(horizontal)

112


Aquí se formaría una

borrasca.



Aquí se formaría un anticiclón.


Empuje y escape

Succión


Fuente: https://geografia2bachillerato.wordpress.com/2011/11/22/la-formacion-de-las-borrascas/


Es la variación de temperatura entre dos puntos situados a 100 m.

Variación vertical en la Tº en condiciones estáticas o de reposo (aprox. 0’65ºC/100m).

Inversión térmica espacio aéreo en el que la temperatura aumenta con la altura en lugar de

disminuir. Impiden movimientos verticales de las masas de aire, por estar el más denso situado sobre

el menos denso. La tropopausa es una inversión permanente.

GRADIENTE TÉRMICO

Gradiente Vertical de Temperatura (GVT)

Se denomina seco porque la masa lleva agua en forma de vapor (no hay nube). Es dinámico, porque la masa está ascendiendo o descendiendo (se mueve), a fin de igualar sus condiciones de Tº con el aire que la

rodea. (aprox. 1ºC/100m).

Gradiente Adiabático Seco (GAS)

La masa de aire ascendente en GAS, alcanza el punto de rocío y se condensa el vapor de agua (nube). Con la condensación se libera calor latente por lo que el gradiente será menor (0’3-0’6ºC/100m). Éste irá

aumentando al perder humedad, hasta volver a GAH.

Gradiente Adiabático Húmedo (GAH)

114


¿Para qué sirven los gradientes? (Aparte de para torturaros)…Detectar y determinar situaciones de estabilidad o inestabilidad atmosférica.

Altitud(m)

Temperatura(ºC)

GAS

GVT

INESTABILIDAD

GVT > GAS (la atm se enfría más rápido que la masa de aire). Fíjate en la pendiente de la función.

La masa de aire es menos densa que el aire que la rodea, por lo que asciende.

Atm

Masa de aire


Altitud(m)

Temperatura(ºC)

GAS

GVT

ESTABILIDAD

GVT < GAS (la atm se enfría más rápido que la masa de aire). No hay ascensos, la masa es más densa que el aire que la rodea.

Puede ser que el GVT>0 (positivo, la temperatura disminuye con la altura).

Puede ser que GVT<0 (negativo, inversión térmica, la Tº aumenta con la altura).

Atm

Masa de aire


Altitud(m)

Temperatura(ºC)

GAS

GVT

ESTABILIDAD

GVT < GAS (la atm se enfría más rápido que la masa de aire). No hay ascensos, la masa es más densa que el aire que la rodea.

Puede ser que el GVT>0 (positivo, la temperatura disminuye con la altura).

Puede ser que GVT<0 (negativo, inversión térmica, la Tº aumenta con la altura).

Atm

Masa de aire

Observa las 4 gráficas y contesta a la pregunta, razonando la respuesta:

Alt

ura

(m

)

Alt

ura

(m

)

Alt

ura

(m

)

Alt

ura

(m

)Temperatura (ºC) Temperatura (ºC)

Temperatura (ºC)Temperatura (ºC)

GVT

GAS

¿Qué tipo de movimientos atmosféricos y qué condiciones isobáricas se asocian a cada una de ellas? ¿Cómo crees que afectan a la dispersión de contaminación?

Observa en la figura las situaciones atmosféricas A y B.

a) Teniendo en cuenta que el valor del GAS es siempre de 1ºC/100m y que el GVT, en el caso de A es de 0’7ºC/100m y en el caso B es de 1’2ºC/100m, pon en las líneas de puntos (de dentro y fuera) el valor de la temperatura que corresponda.

b) Añade dentro de los círculos una flecha que ascendente o descendente para indicar el tipo de movimiento vertical, si éste existe.

c) Haz dos representaciones gráficas, similares las de las situaciones atmosféricas de estabilidad e inestabilidad estudiadas.

d) Explica qué situación atmosférica (borrasca, anticiclón, inversión térmica, estabilidad o inestabilidad) representa cada caso. ¿Cómo repercute en la contaminación? ¿Por qué?

Una masa de aire a 20ºC y 12.5 g/m3 de humedad, situada a 100 m de altura sobre el nivel del mar, se ve obligada a ascender verticalmente para atravesar una cadena montañosa de 1600m de altura. Si la figura representa la curva de saturación de la masa de aire responda a las siguientes cuestiones:

1. Calcule la humedad relativa de la masa de aire en las condiciones de partida.

2. Calcule la temperatura aproximada a la que alcanzará su punto de rocío.

3. Considerando un gradiente adiabático saturado (GAH) de 0.5ºC/100m y un gradiente adiabático seco (GAS) de 1ºC/100m, ¿con qué temperatura llegará a la cumbre?


La atmósfera.Dinámica atmosférica. Fenómenos aerológicos.

Ya hemos hablado de situaciones anticiclónicas (de alta presión por descenso de masas de aire), Y situaciones ciclónicas o de borrasca (de baja presión por ascenso de masas de aire).

El viento es un desplazamiento del aire desde los núcleos de alta presión o anticiclones, a los de baja presión o borrascas.(para que te acuerdes, el viento va de A a B (anticiclón a borrasca)).

Este movimiento es interferido por la fuerza de Coriolis, de forma que el desplazamiento del aire se hace oblicuo a las isobaras. Cuanto más próximas son las isobaras, mayor es la diferencia de presión, y por tanto mayor será la fuerza del viento.

115



Los fenómenos aerológicos se basan en un calentamiento o enfriamiento local de las masas de aire.Esto genera ascensos o descensos de las mismas.

Ascendencia térmica: Ladera de solana.

Brisa marina: variaciones día-noche.

Brisa de cumbre-valle: variaciones día-noche

Restitución: zona rodeada de cumbres.

Isla de calor: <Tº en ciudad. Inversión térmica.

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Por ascenso vertical a capas superiores. El vapor se condensa, las microgotas chocan entre sí por las turbulencias aumentando su tamaño, superando la capacidad de sustentación y precipitando. Por encima de la isoterma 0ºC se forma granizo. En la formación de nieve intervienen otros factores. Si se da el enfriamiento en contacto con el suelo se forma rocío o escarcha.

115

A medida que una masa de aire asciende, puede alcanzar el punto de rocío, condensándose la humedad que tiene formando nubes. El enfriamiento progresivo puede generar precipitaciones en forma de lluvia, nieve o granizo.

Precipitación de origen convectivo

Precipitación de origen orográfico

Precipitación frontal

Masas próximas al mar cargadas de humedad se ven forzadas a ascender por una ladera, pasando de GAS a GAH, pudiendo darse la precipitación (ladera húmeda). Al pasar a la cima, en su descanso seguirá el GAS por no alcanzar en tales condiciones el punto de rocío (ladera seca).

Por choque de dos frentes, dos masas de aire una fría y otra cálida. Pueden darse 3 casos.

La atmósfera.Dinámica atmosférica. Precipitaciones.

115



Frente frío: la masa fría invade una zona de aire caliente. La fría permanece próxima al suelo (mayor densidad) y empuja la cálida sobre ella. Nubes de desarrollo vertical (cumulonimbos) y precipitaciones intensas en zonas poco extensas.

Frente cálido.

Frente ocluido. Frente frío: Masa de aire frío

alcanza una masa cálida.

115



Frente frío:

Frente cálido: el aire cálido empuja al frío y asciende sobre el último como en una rampa. Nubes de tipo estratos, de desarrollo horizontal. Precipitaciones más extensas y débiles.

Frente ocluido.Frente cálido: Masa de aire

cálido alcanza una masa fría.

115



Frente frío.

Frente cálido.

Frente ocluido: Masa cálida alcanzada por una fría que avanza más rápido. La masa cálida queda atrapada entre dos frías. Aparecerán los efectos del frente cálido seguidos de tormentas, a veces con un intervalo de estabilidad muy corto entre ambos.

Frente ocluido: Masa de aire cálido es atrapada entre dos

masas frías.


El fin último de la meteorología es crear modelos, con todos esos datos recogidos.

Pueden ser modelos digitales, como las simulaciones, que hagan predicciones del tiempo.

También pueden ser modelos como mapas, que representan el estado atmosférico de una zona, o las predicciones hechas, a modo de resumen.

• Composición y estructura de la atmósfera.• El balance energético.• Dinámica atmosférica.


Climatología.• Impactos en la atmósfera.• Riesgos derivados de la dinámica atmosférica.

La atmósfera.Climatología.

La climatología es la ciencia que estudia el clima y sus variaciones a lo largo del tiempo. Su objetivo es estudiar las características climáticas a largo plazo.

El clima es el conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan las condiciones más probables de una región determinada. Es una serie de valores estadísticos. VALORES MEDIOS DE PLUVIOSIDAD Y TEMPERATURA.

x


Los climas son categorizaciones del comportamiento meteorológico de una región a lo largo de periodos largos de tiempo.

Cuanto mayor es el registro de datos, más fácilmente identificables son:

Tendencias

Patrones

Fluctuaciones

Modificaciones en una o más variables cuyo sentido se mantiene a lo largo del tiempo.

Variaciones de los valores medios que presentan una periodicidad.

Anomalías breves y locales, carentes de periodicidad. Son imprevisibles.

108

¿Y qué es lo que hace que llueva más o

menos? ¿Que haga más o menos calor?

Latitud

Altitud

Continentalidad

Vientos

dominantes


116


CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA

Pero…

Influencia del movimiento de la Tierra:

ACELERACIÓN DE CORIOLIS.

Rompe la célula en 3 cada 30º

109


109

Polar

Templada

Tropical

Templada

Polar

1

2

3

4

5

6

7

Célula de Ferrel

Célula de Ferrel

Célula de Hadley

Célula de Hadley

Célula Polar

Célula Polar

En total hay 7 zonas de

convergencia


109

Polar

Templada

Tropical

Templada

Polar

1

2

3

4

5

6

7

2 y 6 (60º): Ahí encontramos el frente

polar.

3 y 5 (30º): Zonas de Calma Subtropical

4 (0º): Zona Intertropical de

Convergencia (ZITC).


El chorro polar.

El chorro polar es un velocísimo río de viento que rodea la tierra, como una serpiente que se muerde la cola, a altitudes de la tropopausa. Su sentido es de oeste a este.

x



Como resultado de la interacción de estos factores, se han realizado varias clasificaciones de los climas terrestres. Utilizan distintos índices basados en la pluviometría y temperaturas de una región.

CLIMAS

AzonalesSu clima viene definido no por factores geográficos. Sino por la altitud, vientos...

ZonalesSe corresponden con la región climática en la que se encuentran (latitud).

Clima tropicalClima áridoClima templadoClima continentalClima polar

Ecuador

Polos

LATITUD

Clima de altas montañas

Clasificación de Köppen

110

Clasificación de Köppen


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La atmósfera. Parte I