Transcript 2.- LA ATMOSFERA TERRESTRE Origen y composición de la atmósfera Capa límite

LA ATMÓSFERA TERRESTRE. Indice
2.- LA ATMOSFERA TERRESTRE
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Origen y composición de la atmósfera
La atmósfera estándar
Capa límite
Presión
Temperatura.
La distribución vertical de temperaturas
Ciclo diario de temperaturas
Viento
Precipitación
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ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LA
ATMÓSFERA
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INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y LA SUPERFICIE DEL PLANETA
Equipo docente:
Alfonso Calera Belmonte
Antonio J. Barbero
Departamento de Física Aplicada
UCLM
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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
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
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Información adicional: http://faculty.weber.edu/bdattilo/shknbk/notes/atmsphrorgns.htm
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ATMÓSFERA ESTÁNDAR
•
•
•
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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
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ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS
Exosfera
520
510
500
TERMOPAUSA
490
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u
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160
La temperatura en la
termosfera depende
mucho de la actividad
solar y puede variar
entre 500 ºC y 1500 ºC.
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Termosfera
150
140
(km) 130
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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)
7
Gráfico elaborado según datos de http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/images/profile_jpg_image.html
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA. TROPOSFERA
1% resto
Termosfera
Partículas cargadas y no cargadas
Colisiones muy poco frecuentes
MESOPAUSA
99% resto
Mesosfera
 80 km
Partículas cargadas (ionosfera)
ESTRATOPAUSA
Estratosfera
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 50 km
Muy seca, incremento concentración O3
Largos tiempos de permanencia de partículas
Mezcla vertical muy reducida
TROPOPAUSA 
99.9% masa
Troposfera
10 - 12 km
dT/dz  -7 K·km-1
80% masa, 100% vapor de agua
Suceden todos los fenómenos
meteorológicos: circulación general
atmosférica, nubes, borrascas,
ciclones
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CAPA LIMITE PLANETARIA.
LA CAPA DONDE INTERACTUAN LOS SERES VIVOS
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
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CONCEPTO DE CAPA LÍMITE
Turbulencia: vórtices y remolinos
asociados a diversas causas
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RUGOSIDADES SUPERFICIALES
CAPA LÍMITE
CAPA
EXTERNA
100
CAPA SUPERFICIAL
BASE DE LAS NUBES
CAPA RUGOSA
Altura (orden de magnitud, m)
1000
TROPOSFERA
TROPOPAUSA
10000
10
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.
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COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
Componentes
mayoritarios aireatmósfera
seco
Componentes
mayoritarios
(% volumen)
COMPOSICIÓN POR
DEBAJO DE 100 km
(porcentajes)
O2 21%
N2 78%
Ar 0.93%
Componentes mayoritarios aire seco
(% masa)
N2 76%
Otros 0.04%
O2 23%
Ar 1.3%
Otros 0.07%
Vapor de agua
(altamente variable):
Hasta 4% (volumen)
Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press
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COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
Componentes minoritarios
(partes por millón en moléculas)
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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
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ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO
Concentración
CO2 (ppm)
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335
330
325
320
315
1958
1960
1962
1964
1966
1968
1970
Año
1972
1974
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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:
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http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/carbondioxid/concentration.html
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PRESIÓN, TEMPERATURA,
VIENTO Y PRECIPITACIÓN
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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
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Unidades en el SI:
p [Pa = N/m2] ; Pa, Pascal;
kilopascal [kPa] 1 kPa = 103 Pa
bar
milibar (mbar)
metro de columna de agua (m.c.a.)
atmósfera (atm)
milímetros de mercurio (mmHg)
kg/cm2
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1 bar = 100 kPa
1 mbar = 0.1 kPa
1 m.c.a. = 0.9807 kPa
1 atm = 101.325 kPa
1 mmHg = 0.1333kPa
1 kg/cm2 = 98.07 kPa
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PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar
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p A  pB
B
A
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.
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PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
(p+dp)dS
dz
ρ g dS dz
pdS
z
Ecuación de la estática de los fluidos:
dp = - ρ g dz
dp  g
dz
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].
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
 293  0.0065 z 
p  101.3 

293

p [kPa];
5.26
z [m]
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PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2)
Deducción de la ecuación de variación de la presión con la altura
dP   g
dz
Combinando
ec. de estado de gases ideales P   R* T
con la ec. de de la hidrostática y
asumiendo una disminución lineal de la
temperatura con la altura T = To – α z
dP   P g
dz
R *T
z
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dz
dP   g dz  g
P
R* T
R * (T  z)
o
P
z
dz
dP   g
 dz
P

R * 0 (To  z)
P
0
 T  z 
g

Ln P 
Ln 

P0  R *
T


o
o
g
 R*
 To   z 
P  Po 

 To 
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PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
(p+dp)dS
dz
dp = - ρ g dz
ρ g dS dz
pdS
z
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dp  g
dz
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
 293  0.0065 z 
p  101.3 

293

p [kPa];
z [m]
5.26
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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

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r

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 +




1024


ur




Posición
-grad P
... pero falta considerar la rotación de la Tierra!
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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 
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Aceleración medida en
sistema en rotación
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Aceleración medida en
sistema en reposo

Trayectoria en un sistema de referencia inercial
Trayectoria en un sistema de referencia acelerado
 2  vR
vR
31
DESVIACIÓN DE CORIOLIS
Visto sobre la superficie

N
HEMISFERIO NORTE
2  vR
 2  vR

S
vR
Sentido del movimiento
vR
Desviación a la derecha respecto
al sentido del movimiento
2  vR
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 2  vR
Desviación a la izquierda respecto
al sentido del movimiento
Desviación de Coriolis
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HEMISFERIO SUR
Desviación
de Coriolis
Sentido del
movimiento
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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
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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
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CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA
1 Célula polar
2 Célula de Ferrell
3 Célula de Hadley
Modelo simple
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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
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VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
Círculo Polar Ártico
Círculo Polar Antártico
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ÁRTICO
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ANTÁRTICO
Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida
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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
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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,…).
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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.
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VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (2)
Perfil de velocidades
La velocidad del viento depende de la altura sobre el suelo
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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
ln 67.8 z  5.42 
u z  u2
4.87
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)
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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)
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
40
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TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas
Temperatura media diaria Tm
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T T
Tm  max min
2
Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
16
32
Tmax
30
Día de verano
Día de invierno
12
28
26
24
22
20
8
mediodía
Temperatura (ºC)
10
mediodía
Temperatura (ºC)
Tmax
14
6
4
2
0
Tmin
18
0
200
400
600
Tmin
-2
800
Hora
1000
1200
1400
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Hora
El momento en que se alcanza la temperatura máxima diaria está
desfasado respecto al medidodía solar
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CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS
DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD
Altura
F
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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)
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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.
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CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS. Grados día
Tiempo térmico (Grados-día, grados-hora,…)
Δτ = (Ti – Tb) Δt
Δτ
en otro caso Δτ =0
para Ti > Tb,
tiempo térmico [grados-día, grados-hora,…dependiendo del intervalo
temporal considerado]
Ti
Tb
Δt
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temperatura media en el intervalo temporal considerado
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temperatura umbral por debajo de la cual se interrumpe el crecimiento
intervalo temporal considerado [día, hora,…]
Para el caso específico de intervalo diario, Δt = 1 día
 T max  T min 

   
  Tb
2
i
i 1 

n
Δτ
[grados-día]
Si
T max  T min
2
> Tb
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
EL AGUA EN LA TIERRA, HIDROSFERA,
EL AGUA EN LA ATMÓSFERA
PRECIPITACIÖN
Contenido de vapor de agua en la atmósfera
F
í
s
i
c
a
Limitada capacidad de retener agua en estado vapor
Saturación y condensación. Nubes
Precipitación y formación de océanos
Hidrosfera
Interdependencia del sistema
http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/3.html
atmósfera / hidrosfera
46
A
m
b
i
e
n
t
a
l
CICLO HIDROLÓGICO
F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l
51
Britannica,2004
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
53
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
54
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
55
Radiación Solar
Flujos de
agua
y de …
en la
superficie
terrestre
Atmósfera
Precipitación
Transpiración
Viento
CO2
O2
Fotosíntesis
Respiración
Intercepción
Goteo desde la
vegetación
Planta
Infiltración
Escorrentía
Evaporación
Suelo:Agua
disponible,
nutrientes
Franja
capilar
Ascenso
capilar
Nivel freático
Zona saturada
Percolación
Recarga y flujo
subterráneo
56
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
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c
a
57