UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA FÍSICA AMBIENTAL APLICADA F í s i c a Tema 2. LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA A m b i e n t a l Equipo docente: Antonio J.

Download Report

Transcript UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA FÍSICA AMBIENTAL APLICADA F í s i c a Tema 2. LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA A m b i e n t a l Equipo docente: Antonio J. 

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
FÍSICA AMBIENTAL APLICADA
F
í
s
i
c
a
Tema 2. LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Equipo docente:
Antonio J. Barbero García
Alfonso Calera Belmonte
Pablo Muñiz García
José Ángel de Toro Sánchez
Departamento de Física Aplicada
UCLM
1
FORMACIÓN DE LA TIERRA
Teoría de acreción
de planetesimales
Diferenciación de la
estructura en función de
la densidad
F
í
s
i
c
a
Núcleo interno
Sólido, radio  1200 km
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Núcleo externo
Líquido, radio  3470 km
Manto
Radio  3470 km
Corteza
Adaptado de:
http://zebu.uoregon.edu/internet/images/earthstruc.gif
Espesor  8 - 70 km
2
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.
F
í
s
i
c
a
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
La atmósfera actual
Predominio del nitrógeno
Presencia de otros componentes (pequeña concentración)
Presencia de una importante fracción de O2
http://www.xtec.es/~rmolins1/solar/es/planeta02.htm
3
Información adicional: http://faculty.weber.edu/bdattilo/shknbk/notes/atmsphrorgns.htm
A
m
b
i
e
n
t
a
l
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
Componentes
atmósfera
Componentesmayoritarios
mayoritarios aire
seco
(% volumen)
COMPOSICIÓN POR
DEBAJO DE 100 km
(porcentajes)
N2 78%
F
í
s
i
c
a
O2 21%
Ar 0.93%
Componentes mayoritarios aire seco
(% masa)
N2 76%
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Otros 0.04%
O2 23%
Ar 1.3%
Vapor de agua:
Hasta 4% (volumen)
Otros 0.07%
Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press
4
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
Componentes minoritarios
(partes por millón en moléculas)
F
í
s
i
c
a
CO2 325 ppm (93%)
Ne 18 ppm
(5.2%)
He 5 ppm (77%)
Resto 6.5 ppm
(1.9%)
Kr 1 ppm
(15%)
H2 0.5 ppm
(7.7%)
Ozono: 0-12 ppm
5
A
m
b
i
e
n
t
a
l
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: H2O
Baja proporción actual de H2O en la atmósfera
mb
40
P
30
Condiciones
ambientales
 23 mb
20
10
Los ejes NO
están a escala
ºC
10
20
30
PC
T3= 0.01 C = 273.16 K
P3= 0.006112 bar
1 atm
P3
TC = 374.15 C = 647.30 K
PC = 221.20 bar
T3
100 C
TC
T
6
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: H2O
(2)
Baja proporción actual de H2O en la atmósfera
F
í
s
i
c
a
Limitada capacidad de retener agua en estado vapor
Saturación y condensación
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Precipitación y formación de océanos
Hidrosfera
Interdependencia del sistema
atmósfera / hidrosfera
http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/3.html
7
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera.
Masa 1.36·1021 kg
97%
Océanos
Hielo
Subsuelo
Ríos y lagos
Atmósfera
F
í
s
i
c
a
Océano 97%
Hielo 2.4%
97 %
2,4 %
0,6 %
0,02 %
0,001 %
Otros 0.6%
97
2,4
0,6
Subsuelo 97%
97%
Ríos y lagos 3,3%
2.4%
0.6%
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Contenido actual de la hidrosfera:
dos órdenes de magnitud INFERIOR
al agua inyectada en ella
Déficit
Atmósfera 1,7%
3.3%
0.17%
* Filtraciones en puntos de subducción
* Fotodisociación UV
8
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera (2).
FILTRACIONES DE AGUA
HACIA EL MANTO
F
í
s
i
c
a
Zona de
subducción
Océano
Corteza oceánica
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Corteza continental
Manto superior
Filtraciones hacia el manto
9
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Fotodisociación agua
Molécula de agua
Fotodisociación
F
í
s
i
c
a
Alta atmósfera, condiciones de baja presión
H
H
Fotones de alta energía
O
H
A
m
b
i
e
n
t
a
l
H
O
H
O
H
H
O
104º
H
Producción de radicales, recombinación formando
especies nuevas.
En especial el hidrógeno tiende a escapar.
10
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: CO2
Baja proporción actual de CO2
Estimación del contenido en
carbono de la corteza terrestre
(unidades arbitrarias)
Procesos geológicos y biológicos
Almacenamiento de carbono:
* Rocas, sales, combustibles fósiles
* Atmósfera (CO2 libre) y océano (CO2 disuelto)
* Biosfera
Presencia de oxígeno en la corteza terrestre:
* Sales de hierro, carbonatos y bicarbonatos
Biosfera marina
1
Biosfera terrestre
1
Atmósfera (CO2)
70
Océano (CO2 disuelto)
4000
Combustibles fósiles
800
Sales
800000
Carbonatos
2000000
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)
H2O + CO2  H2CO3
H2CO3 + Ca++  CaCO3 + 2H +
11
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO
Concentración
CO2 (ppm)
F
í
s
i
c
a
335
330
325
320
315
1958
1960
1962
1964
1966
1968
1970
Año
1972
1974
A
m
b
i
e
n
t
a
l
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
Actual
29%
280 ppm
360 ppm
Datos basados en http://zebu.uoregon.edu/1998/es202/l13.html
Más información sobre ciclo del carbono:
12
http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/carbondioxid/concentration.html
NITRÓGENO Y COMPONENTES MINORITARIOS
Predominio atmosférico del N2
F
í
s
i
c
a
El contenido original ha sido poco alterado a causa de su baja reactividad
Fijado alrededor del 20% en forma de nitratos (actividad biológica)
Otros componentes de la atmósfera
AZUFRE: Inyectado en atmósfera por erupciones
volcánicas en forma de sulfuro
GASES NOBLES: He, Ar
Lluvia ácida
Sulfatos en
la corteza
Procedentes de desintegraciones
radiactivas
13
A
m
b
i
e
n
t
a
l
EL OXÍGENO
FUENTES DEL OXÍGENO ATMOSFÉRICO
Disociación del agua (UV)
2H2O  2H2 + O2
Fotosíntesis (luz visible)
H2O + CO2  {CH2O} + O2
Primeros organismos
(ambiente reductor?) *
 4109 años
Mayor liberación O2
 4108 años
VIDA MARINA
Algas unicelulares
liberación O2
 2-3109 años
*
LA PRESENCIA DE O2 EN LA
ATMÓSFERA ESTÁ LIGADA
A LOS PROCESOS
BIOLÓGICOS
VIDA EN TIERRA FIRME
Producción O3
Reducción de UV
en superficie
Véase experimento de Miller en
http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo9/4.html
14
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE
DESCRIBEN EL ESTADO DE LA ATMÓSFERA
 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)
Se define el Kelvin como la fracción 1/273.16 de la
temperatura termodinámica del punto triple del agua
K = ºC + 273.15
CASOS ESPECIALES
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).

dT
dz
 ºC

 km
K

km 
Conversor de temperaturas:
http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/temperatura.htm
PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECO

dT
ºC
 9.8
dz
km
EN LA ATMÓSFERA
ESTÁNDAR

dT
ºC
 6.5
dz
km
15
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE
DESCRIBEN EL ESTADO DE LA ATMÓSFERA (2)
 Presión
P
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.
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Otras unidades
1 bar = 100 kPa
1 mb = 0.1 kPa
1 kg/cm2 = 98.07 kPa
1 atm = 101.325 kPa
1 mmHg (1 torr) = 0.1333kPa
metro de columna de agua (m.c.a.)
1 m.c.a. = 0.9807 kPa
Conversor de presión:
http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/presión.htm
F
í
s
i
c
a
16
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar
F
í
s
i
c
a
p A  pB
Ecuación de los fluidos:
B
A
dp   g
dz
Densidad del aire  decrece con la altura
z
Variación vertical >> variación horizontal
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.
17
A
m
b
i
e
n
t
a
l
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2)
dP  g
dz
El aire es un fluido compresible
F
í
s
i
c
a
Densidad proporcional a la presión
  BP
z
dP  BPg
dz
dP  Bg  dz
P
z
Ln P  Bg  z  
P0
H
P
z
P0
0
dP   Bg  dz
P 
H 1
Bg
Depende de la masa molecular del gas
P  P0 exp( z / H )
H  7 km
18
A
m
b
i
e
n
t
a
l
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA
1% resto
Termosfera
Partículas cargadas y no cargadas
Colisiones muy poco frecuentes
MESOPAUSA
99% resto
Mesosfera
 80 km
Partículas cargadas (ionosfera)
ESTRATOPAUSA
Estratosfera
99.9% masa
F
í
s
i
c
a
 50 km
Muy seca, incremento concentración O3
Largos tiempos de permanencia de partículas
Mezcla vertical muy reducida
TROPOPAUSA
 10 - 12 km
grad T = -6.5 K·km-1
Troposfera
80% masa, 100% vapor de agua
Cortos tiempos de permanencia de partículas
19
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ALTURA DE LA TROPOPAUSA
Factores que influyen en altura de tropopausa
Estratosfera
18
* Latitud
En el ecuador se encuentra más
elevada que en los polos
16
Altura (km)
14
F
í
s
i
c
a
12
* Estación del año
10
Troposfera
8
* Temperatura de la troposfera
6
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Latitud (grados)
Gráfica elaborada con datos de condiciones medias anuales en
http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html
A
En condiciones ambientales de bajas m
temperaturas, la tropopausa desciende b
i
debido a que en estos casos la
e
convección es menor.
n
t
a
l
Información adicional:
Mapa de presiones en la tropopausa (valores medios entre 1983 y 1998)
http://www.gfdl.noaa.gov/~tjr/TROPO/TROPO.html
20
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
•
21
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
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/climatologia/Presion/atmosferaestandar.htm
Calculadora de atmósfera estándar
(hasta 86 km): http://www.digitaldutch.com/atmoscalc/
22
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE PRESIONES
160
Altura
(km)
F
í
s
i
c
a
140
120
100
Presión (mb)
Densidad (g/m3)
Recorrido libre
medio (m)
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Agua líquida
condiciones
ambientales
106 g/m3
80
60
40
Distancia promedio recorrida
por una molécula antes de
sufrir una colisión con otra.
20
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
Gráfica elaborada con datos procedentes de
John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press
Adaptado de CRC Handbook of Chemistry and Physics, 54th Edition. CRC Press (1973)
10
102
103
23
ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS
Exosfera
520
510
500
TERMOPAUSA
490
A
l
t
u
r
a
160
La temperatura en la
termosfera depende
mucho de la actividad
solar y puede variar
entre 500 ºC y 1500 ºC.
F
í
s
i
c
a
Termosfera
150
140
(km) 130
A
m
b
i
e
n
t
a
l
120
110
100
90
70
Mesosfera
60
50
ESTRATOPAUSA
40
Estratosfera
30
20
10
TROPOPAUSA
Troposfera
-100
-50
0
50
100
150
Capa homogénea
MESOPAUSA
80
200
500/1500
Temperatura (ºC)
24
Gráfico elaborado según datos de http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/images/profile_jpg_image.html
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).
P  P0 exp( z / H )
H 1
Bg
A
l
t
u
r
a
Mayor M, mayor B
Menor M, menor B
25
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
EN FUNCION DE LA ALTURA (2)
2. Mezcla por movimientos convectivos
F
í
s
i
c
a
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.
Recorrido libre medio vs altura
160
Por tanto a niveles bajos la atmósfera
es un sistema cuyos componentes se
encuentran muy bien mezclados.
km
140
120
Límite: aproximadamente a 100 km
Capa homogénea
100
80
60
40
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.
m
20
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1
10
102
103
26
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ESCAPE DE GASES DE LA ATMÓSFERA
Velocidad más probable:
v
2kT
M m
F
í
s
i
c
a
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)
La temperatura a 500 km es de 600 ºC
A
m
b
i
e
n
t
a
l
velocidad más probable  3 kms-1
Fracción de moléculas con velocidad igual a la de escape
Velocidad más probable
Hidrógeno  3 kms-1
 10 -6
Oxígeno  0.8 kms-1
 10 -84
Escape de gases ligeros a lo largo de las eras geológicas
27
VIENTO
Aire en movimiento.
Flujo de aire relacionado, entre otros factores, con diferencias de presión

Gradientes de presión
Magnitud
escalar
grad P 
DIRECCIÓN DEL GRADIENTE:
LA DE MÁXIMA VARIACIÓN DE LA PROPIEDAD ESCALAR
1016
1020
El aire tiende
a desplazarse
CONTRA el
gradiente de
presión
P 
 ur
r

E
s
c
a
l
a
r

F
í
s
i
c
a
 +




1024


ur




Posición
-grad P
... pero falta considerar la rotación de la Tierra!
28
A
m
b
i
e
n
t
a
l
EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA
Polo
Norte

a  aR  2  vR      r 
2  vR
 2  vR
Centrípeta
Coriolis
vR
aR  a  2  vR      r 
F
í
s
i
c
a
Aceleración medida en
sistema en rotación
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Aceleración medida en
sistema en reposo

Trayectoria en un sistema de referencia inercial
Trayectoria en un sistema de referencia acelerado
 2  vR
vR
29
DESVIACIÓN DE CORIOLIS
Visto sobre la superficie

N
HEMISFERIO NORTE
2  vR
 2  vR

vR
S
Sentido del movimiento
vR
Desviación a la derecha respecto
al sentido del movimiento
2  vR
F
í
s
i
c
a
Desviación de Coriolis
A
m
b
i
e
n
t
a
l
HEMISFERIO SUR
 2  vR
Desviación a la izquierda respecto
al sentido del movimiento
Desviación
de Coriolis
Sentido del
movimiento
30
VIENTO GEOSTRÓFICO
-grad P
1024
Fuerza gradiente de presión
1020
Fuerza Coriolis  2  vR
Dirección del viento
1016
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
Viento geostrófico:
resultante del equilibrio
entre el gradiente de
presión y la aceleración
de Coriolis. Fluye
PARALELO a las
isobaras
31
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ANTICICLONES Y BORRASCAS
B
A
Hemisferio Norte:
la fuerza de Coriolis provoca
desviación hacia la derecha
En los anticiclones los
vientos giran en sentido
horario
En las borrascas los
vientos giran en sentido
antihorario
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
32
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA
1 Célula polar
2 Célula de Ferrell
3 Célula de Hadley
Modelo simple
F
í
s
i
c
a
1
Vientos polares del este
B
B
2
Vientos del oeste
A
A
A
3
Alisios del noreste
B
B
Convergencia Intertropical
Alisios del sureste
A
Aire descendente en los polos
fríos y ascendente en las
latitudes ecuatoriales cálidas
A
A
Vientos del oeste
B
B
Vientos polares del este
NO TIENE EN CUENTA LA
ROTACIÓN DE LA TIERRA
Esquema de circulación atmosférica basado en
http://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Trade_Winds/Trade_Winds.html
33
A
m
b
i
e
n
t
a
l
VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
Círculo Polar Ártico
Círculo Polar Antártico
F
í
s
i
c
a
ÁRTICO
A
m
b
i
e
n
t
a
l
ANTÁRTICO
Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida
34
CONCEPTO DE CAPA LÍMITE
Turbulencia: vórtices y remolinos
asociados a diversas causas
10
1
RUGOSIDADES SUPERFICIALES
CAPA LÍMITE
CAPA
EXTERNA
100
CAPA SUPERFICIAL
BASE DE LAS NUBES
CAPA RUGOSA
Altura (orden de magnitud, m)
1000
TROPOSFERA
TROPOPAUSA
10000
F
í
La capa límite es la parte s
de la troposfera influida
i
directamente por la
c
superficie de la Tierra, y
a
que responde a las fuerzas
superficiales en una escala A
m
temporal de alrededor de
b
una hora o menos.
i
Las fuerzas asociadas a la
e
superficie de la Tierra
n
incluyen fricción de
t
arrastre, transferencia de
a
calor, evaporación y
l
transpiración, emisión de
contaminantes y
características del terreno
que modifican el flujo.
35
CAPA LIMITE PLANETARIA
Troposfera
PBL
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)
 Los intercambios de energía y materia están relacionados con las turbulencias
 Es una capa de mezcla
 Dilución de contaminantes
36
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
VARIACIÓN DIARIA DE LA CAPA LÍMITE
Salida del Sol
Calentamiento
superficial
Mezclado
capa límite
Incremento continuo
espesor capa límite
Puesta
de Sol
Valores típicos al final de la
tarde  1 km (0.2 km - 5 km)
1 km (0.2 km-5 km)
Comienzo
noche
Enfriamiento
del suelo
Reducción o
desaparición
turbulencias
100 m (20 m - 500 m)
Reducción
espesor capa
límite
Valores típicos  100 m
(20 m - 500 m)
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.
37
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
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
F
í
s
i
c
a
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,…).
A
m
b
i
e
n
t
a
l
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
VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (2)
Perfil de velocidades
La velocidad del viento depende de la altura sobre el suelo
F
í
s
i
c
a
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.
ln 67 .8 z  5.42 
u z  u2
4.87
14
12
Altura z (m)
Una superficie especial: una superficie
de gramíneas homogénea (cesped, por
ejemplo). Encima de esta superficie el
perfil de velocidades es
16
Para u2 = 1 m/s
10
8
6
4
2
0
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Velocidad uz (m/s)
u2 velocidad del viento a una altura de 2 m (m/s)
z altura sobre la superficie del suelo (m)
uz velocidad del viento a la altura z (m/s)
39
A
m
b
i
e
n
t
a
l
TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas
Temperatura media diaria Tm
Tm 
Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
Tmax  Tmin
2
F
í
s
i
c
a
Datos de temperatura medidos a 10 m
16
Tmax
Día de verano
1 de agosto 98
Temperatura ºC
10
26
24
22
Salida de sol
Puesta de sol
mediodía
Temperatura ºC
28
20
0
2
4
6
8
8
6
4
Salida de sol
2
0
Tmin
18
Día de invierno
6 de enero 1999
12
Tmin
-2
10
12
14
Hora GMT
16
18
Puesta de sol
30
Tmax
14
mediodía
32
20
22
24
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Hora GMT
El momento en que se alcanza la temperatura máxima diaria está
desfasado respecto al medidodía solar
40
24
A
m
b
i
e
n
t
a
l
CICLO DIARIO DE TEMPERATURA Y HUMEDAD
100
30
80
25
Salida de sol
20
0
3
6
9
12
Hora
60
15
18
21
Humedad relativa %
35
mediodía
Temperatura ºC
Presión de vapor de agua invariable a lo largo del día = 24 mb
40
24
41
CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS (EN ALTURA)
DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD
Altura
F
í
s
i
c
a
10.0 m
05:00
08:00
10:00
12:00
15:00
Consecuencia
de efectos de
mezclado en
la capa límite
18:00
2.40 m
1.20 m
60 cm
30 cm
15 cm
-2 cm
-5 cm
-15 cm
T (ºC)
30
35
40
45
50
Perfiles en verano
(datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)
42
A
m
b
i
e
n
t
a
l
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.
43
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Temperatura y desarrollo biológico (2)
Tiempo térmico (grados-día, grados-hora,…)
  (Ti  Tb )  t
F
í
s
i
c
a
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,…)
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Para el caso específico de intervalo diario, Δt = 1 día
 T  T 

    max min   Tb 
2
i
i 1

n
si se cumple
Tmax  Tmin
 Tb
2
44
Temperatura y desarrollo biológico (3)
EJEMPLO
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.
Periodo diario, usamos:
 T  T 

    max min   Tb 
2
i
i 1

n
T  T 
Ti   max min 
2

i
Día
Tmax Tmin
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
23,3
23,9
17,2
21,1
23,3
29,4
22,6
15,0
18,9
17,2
20,0
25,6
12,2
9,4
6,1
7,8
10,6
12,8
13,3
5,6
6,7
10,0
8,3
10,0
Ti
17,8
16,7
11,7
14,5
17,0
21,1
18,0
10,3
12,8
13,6
14,2
17,8
Ti -Tb
6,8
5,7
0,6
3,5
6,0
10,1
7,0
-0,7
1,8
2,6
3,2
6,8

6,8
12,4
13,1
16,5
22,5
32,6
39,5
41,3
43,9
47,1
53,9
PRIMER VALOR > 40 ºC·DÍA
Día de germinación del cultivo
45
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
CICLO DEL AGUA
423·1012 m3/año
13·1012 m3
99·1012 m3/año
62·1012 m3/año
F
í
s
i
c
a
Tierras
33.6·1015 m3
A
m
b
i
e
n
t
a
l
37·1012 m3/año
Evaporación y
transpiración
Aguas
superficiales
y subterráneas
324·1012 m3/año
99·1012 m3/año
Precipitación
324·1012 m3/año
m3/año
Atmósfera
Precipitación
423·1012
361·1012 m3/año
361·1012 m3/año
62·1012 m3/año
Evaporación
BALANCE ATMÓSFERA
Océanos
1350·1015 m3
Basado en
http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/hyd/bdgt.rxml
46
CICLO DEL AGUA (2)
DETALLE DE MOVIMIENTOS DE AGUA EN LA BIOSFERA
Flujos en unidades
de 1012 m3/año
F
í
s
i
c
a
32
68
Precipitación
en tierra
Evaporación
100
Evaporación
desde tierra
Intercepción y
transpiración
428
Vegetación
Suelo
Embalse
Nivel freático
Estratos
impermeables
Percolación
profunda
Precipitación
sobre océano
31
Evaporación
Flujo
desde océano
superficial
396
Infiltración
Movimiento aguas
subterráneas
1
Océano
Intrusiones salinas
Basado en Britannica 2004
47
A
m
b
i
e
n
t
a
l
PRECIPITACIÓN
LLUVIA
Interceptada por
la vegetación
Evaporada en
la atmósfera
Caída en
la superficie
Drenada
hacia el suelo
Corrientes
superficiales
Almacenamiento
y evaporación
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Estancadas y
evaporadas
Infiltrada
en suelo
Percolación
profunda
Retenida
en suelo
No usada
Crecimiento
vegetación
No usada
vegetación
Almacenamiento
subterráneo
F
í
s
i
c
a
48
PRECIPITACIÓN. SU MEDIDA
F
í
s
i
c
a
1 m2
1m
1 litro
1m
1 mm
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.
PRECIPITACIÓN EN MILÍMETROS = LITROS / m2
49
A
m
b
i
e
n
t
a
l
PRECIPITACIÓN. EJEMPLO
Datos de precipitación (mm)
F
í
s
i
c
a
ALBACETE/LOS LLANOS
Coordenadas: 39-00-25N 1-57-08W Altitud: 704m
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
AÑO
1940-1960
1961-1990
26 25 32 38 50 28 8 18 35 47 22 28 357
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 25 37 37 28
267
2002
13
0 24 28 38 33 26
374
2
0
31 65 51 63
http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
0
50
A
m
b
i
e
n
t
a
l
MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS LLANOS
B1940-1960
1961-1990
C
D1991-2000
F
í
s
i
c
a
50
Precipitación (mm)
40
30
A
m
b
i
e
n
t
a
l
20
10
0
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Meses
Fuente: datos en http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html
51
BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN
Libros (inglés)
John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press
S. Pal Arya, Introduction to Micrometeorology,
2th
Edition. University Press.
Roland B. Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers
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
A
m
b
i
e
n
t
a
l
Discusión sobre el origen del oxígeno atmosférico:
http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/10.html
Sobre CO2 en la atmósfera (idioma inglés):
http://www.iitap.iastate.edu/gccourse/chem/gases/gases_lecture_es.html
Sobre aceleración de Coriolis (idioma inglés)
http://zebu.uoregon.edu/~js/glossary/coriolis_effect.html
http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/fw/crls.rxml
Sobre anticiclones y borrascas
http://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/anticicl.htm
http://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/borrasca.htm
F
í
s
i
c
a
52