La Atmósfera Terrestre (página 2)

Partes: 1, 2, 3

(Gp:) Baja proporción actual de CO2

(Gp:) 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
Carbonatos: formados mediante reacciones de intercambio iónico (seres vivos)
H2CO3 + Ca++ ? CaCO3 + 2H +
H2O + CO2 ? H2CO3
(Gp:) Estimación del contenido en
carbono de la corteza terrestre
(Gp:) (unidades arbitrarias)

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
Biosfera marina 1
Biosfera terrestre 1
Atmósfera (CO2) 70
Océano (CO2 disuelto) 4000
Combustibles fósiles 800
Sales 800000
Carbonatos 2000000
FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: CO2
Procesos geológicos y biológicos

(Gp:) 335
(Gp:) 330
(Gp:) 325
(Gp:) 320
(Gp:) 315
(Gp:) Concentración CO2 (ppm)

(Gp:) 1958
(Gp:) 1960
(Gp:) 1962
(Gp:) 1964
(Gp:) 1966
(Gp:) 1968
(Gp:) 1970
(Gp:) 1972
(Gp:) 1974
(Gp:) Año

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
1750
Actual
280 ppm
360 ppm
(Gp:) 29%

(Gp:) Predominio atmosférico del N2

El contenido original ha sido poco alterado a causa de su baja reactividad
(Gp:) Fijado alrededor del 20% en forma de nitratos (actividad biológica)

(Gp:) Otros componentes de la atmósfera

AZUFRE: Inyectado en atmósfera por erupciones
volcánicas en forma de sulfuro
(Gp:) Lluvia ácida

(Gp:) Sulfatos en
la corteza

GASES NOBLES: He, Ar
(Gp:) Procedentes de desintegraciones
radiactivas

NITRÓGENO Y COMPONENTES MINORITARIOS

EL OXÍGENO
(Gp:) VIDA MARINA

(Gp:) Disociación del agua (UV)
(Gp:) 2H2O ? 2H2 + O2

(Gp:) Fotosíntesis (luz visible)
(Gp:) H2O + CO2 ? {CH2O} + O2

Primeros organismos
(ambiente reductor?) *
? 4?109 años
(Gp:) Algas unicelulares
liberación O2
? 2-3?109 años

(Gp:) Producción O3
Reducción de UV
en superficie

(Gp:) VIDA EN TIERRA FIRME
(Gp:) Mayor liberación O2
? 4?108 años

FUENTES DEL OXÍGENO ATMOSFÉRICO
LA PRESENCIA DE O2 EN LA ATMÓSFERA ESTÁ LIGADA A LOS PROCESOS BIOLÓGICOS

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
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

ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE DESCRIBEN EL ESTADO DE LA ATMÓSFERA (2)
(Gp:) Presión P
(Gp:) ?

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.
(Gp:) 1 bar = 100 kPa
(Gp:) 1 mb = 0.1 kPa
(Gp:) metro de columna de agua (m.c.a.) 1 m.c.a. = 0.9807 kPa
(Gp:) 1 atm = 101.325 kPa
(Gp:) 1 mmHg (1 torr) = 0.1333kPa
(Gp:) 1 kg/cm2 = 98.07 kPa

Otras unidades

PRESIÓN ATMOSFÉRICA
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.
(Gp:) Variación vertical >> variación horizontal

(Gp:) z

Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar
(Gp:) A

(Gp:) B

PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
dp = – ? g dz
(Gp:) (p+dp)dS
(Gp:) pdS
(Gp:) ? g dS dz
(Gp:) dz
(Gp:) z

La presión, p,[Pa] disminuye con la altura a un ritmo que depende del valor de la densidad ? [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
p [kPa]; z [m]
Variación de la presión con la altura

(Gp:) z

Combinando
ec. de estado de gases ideales
con la ec. de de la hidrostática y
asumiendo una disminución lineal de la temperatura con la altura T = To – a z
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2)
Deducción de la ecuación de variación de la presión con la altura

PRESIÓN Su variación con la altura en la atmósfera terrestre
Ecuación de la estática de los fluidos:
dp = – ? g dz
(Gp:) (p+dp)dS
(Gp:) pdS
(Gp:) ? g dS dz
(Gp:) dz
(Gp:) z

La presión, p,[Pa] disminuye con la altura a un ritmo que depende del valor de la densidad ? [kg m-3] y de la aceleración de la gravedad, g [m s-2], que a su vez varían con la altura, z [m].
(Gp:) Presión a nivel de mar (altura cero) : 1 atm= 101.325 kPa (Atmósfera estándar)
Presión atmosférica a diferentes alturas
Ecuación válida para la troposfera
(Gp:) p [kPa]; z [m]

Aire en movimiento.
Flujo de aire relacionado, entre otros factores, con diferencias de presión
… pero
Gradientes de presión
? ? +
El aire tiende a desplazarse CONTRA el gradiente de presión
VIENTO
(Gp:) 1024

(Gp:) 1020

(Gp:) 1016

(Gp:) Magnitud escalar

(Gp:) -grad P

(Gp:) Escalar

(Gp:) Posición

(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?
(Gp:) ?

DIRECCIÓN DEL GRADIENTE:
LA DE MÁXIMA VARIACIÓN DE LA PROPIEDAD ESCALAR
falta considerar la rotación de la Tierra!

(Gp:) Centrípeta

(Gp:) Coriolis

(Gp:) Aceleración medida en
sistema en rotación

(Gp:) Aceleración medida en
sistema en reposo

(Gp:) Polo Norte

(Gp:) Trayectoria en un sistema de referencia inercial

(Gp:) Trayectoria en un sistema de referencia acelerado

EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA

Desviación a la derecha respecto al sentido del movimiento
Desviación a la izquierda respecto al sentido del movimiento
N
S
DESVIACIÓN DE CORIOLIS
Visto sobre la superficie
(Gp:) Sentido del movimiento
(Gp:) Desviación de Coriolis
(Gp:) HEMISFERIO NORTE

(Gp:) HEMISFERIO SUR
(Gp:) Desviación de Coriolis
(Gp:) Sentido del movimiento

(Gp:) 1016
(Gp:) 1020
(Gp:) 1024

(Gp:) -grad P

(Gp:) Fuerza gradiente de presión

(Gp:) Fuerza Coriolis

(Gp:) Dirección del viento

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

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
A
En los anticiclones los vientos giran en sentido antihorario
B
En las borrascas los vientos giran en sentido horario

(Gp:) B
(Gp:) B

Convergencia Intertropical
(Gp:) B
(Gp:) B

(Gp:) B
(Gp:) B

(Gp:) A
(Gp:) A
(Gp:) A

(Gp:) A
(Gp:) A
(Gp:) A

1
2
3
(Gp:) 1
(Gp:) Célula polar

(Gp:) 2
(Gp:) Célula de Ferrell

(Gp:) 3
(Gp:) Célula de Hadley

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

(Gp:) Círculo Polar Antártico

(Gp:) Círculo Polar Ártico

VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES
ÁRTICO
ANTÁRTICO
(Gp:) Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida

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

Salida del Sol
Calentamiento superficial
Mezclado capa límite
(Gp:) Incremento continuo espesor capa límite

(Gp:) Puesta de Sol

VARIACIÓN DIARIA DE LA CAPA LÍMITE
(Gp:) Valores típicos al final de la tarde ? 1 km (0.2 km – 5 km)

Comienzo noche
Enfriamiento del suelo
Reducción o desaparición turbulencias
(Gp:) Reducción espesor capa límite

Valores típicos ? 100 m (20 m – 500 m)
(Gp:) 1 km (0.2 km-5 km)

(Gp:) 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.

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
(Gp:) u2 velocidad del viento a una altura de 2 m (m/s)
(Gp:) uz velocidad del viento a la altura z (m/s)
(Gp:) z altura sobre la superficie del suelo (m)

La velocidad del viento depende de la altura sobre el suelo

TEMPERATURA
(Gp:) Temperatura T
(Gp:) ?

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
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).
CASOS ESPECIALES
PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECO
EN LA ATMÓSFERA ESTÁNDAR

TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE
Existe un ciclo diario de temperaturas
Temperatura media diaria Tm
Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin
(Gp:) mediodía

(Gp:) mediodía

Día de verano
Día de invierno
(Gp:) Tmin

(Gp:) Tmax

(Gp:) Tmax

(Gp:) Tmin

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

CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS
(Gp:) 30
(Gp:) 35
(Gp:) 40
(Gp:) 45
(Gp:) 50
(Gp:) T (ºC)

(Gp:) 08:00

(Gp:) 10:00

(Gp:) 05:00

(Gp:) 12:00

(Gp:) 15:00

(Gp:) 18:00

(Gp:) Altura
(Gp:) 15 cm
(Gp:) 30 cm
(Gp:) 60 cm
(Gp:) 1.20 m
(Gp:) 10.0 m
(Gp:) 2.40 m
(Gp:) -2 cm
(Gp:) -5 cm
(Gp:) -15 cm

Perfiles en verano
(datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)
DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD
Consecuencia de efectos de mezclado en la capa límite

Temperatura y desarrollo biológico
El desarrollo de los organismos vivos está relacionado con la temperatura. Las hipótesis más usuales son:
(Gp:) El ritmo de desarrollo es proporcional a la temperatura
(Gp:) ?

(Gp:) 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.
(Gp:) ?

(Gp:) 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.
(Gp:) ?

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.