Energia de la tiemra y atmosfera

Capitulo 3. Energía: Calor de la Tierra y la
atmósfera
3.1 Energía, temperatura y calor: escalas de temperatura, calor
especifico, calor latente.
3.2 Transferencia de calor en la atmósfera: conducción,
convección.
3.3 Radiación: radiación y temperatura,
terrestre
radiación solar y
3.4 Balance de radiación – absorción, emisión y equilibrio: los
absorbente y efecto invernadero de la atmósfera, el efecto
invernadero, calentando el aire desde abajo.
3.5 Energía solar incidente: radiación difusa y reflejada, balance
anual de la energía de la Tierra.
3.6 Preguntas para revisión y pensar...
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3.1 Energía
• Una sustancia tiene energía potencial si puede hacer un
trabajo, puede ser cuando ocurre un cambio químico (el
carbón, gas natural, productos químicos, alimento tiene
EP)
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3.1 Energía
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• Cualquier objeto en movimiento posee energía cinetica
(EC)
EC=1/2 m v2
M- masa (Kg)
V- velocidad (m/s)
• Más rápidamente se mueve => mayor EC.
• El viento fuerte tiene más EC.
• La energía cinética se refiere a menudo como energía
térmica.
• Energía del sol = energía radiante.
• La energía no puede ser destruida o creado, solamente se
mueve a partir de una forma a otra.
• Conservación de la energía = 1ra ley de la termodinámica.
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3.1 Energía: Calor de la Tierra y la atmósfera
Unidades de energía:
1 erg = 1 dyne/cm
= 2.388 x 10-8 cal
1 Joule (J)
= 1 Newton metro (N.m)
= 0.239 cal
= 107 erg
1 calorie (cal) = 4.186 J
= 4.186 x 107 erg
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¿Qué es energía?
• abilidad o capacidad de hacer un trabajo sobre una cierta forma de
materia (la materia ocupa un espacio y tiene masa)
• Trabajo se hace sobre la materia si se empuja, se tira o se levanta
sobre una cierta distancia. ¿
• Si se eleva o levanta se ejerce una fuerza contra gravedad.
• La cantidad total de energía almacenada en cualquier objeto (energía
interna),va a determinar cuanto trabajo es capaz de hacer dicho
objeto
• Haciendo el trabajo sobre algo le damos energía, que se puede
utilizar para hacer el trabajo sobre algo más.
• La energía almacenada en un objeto (energía interna) determina
cuánto trabajo puede hacer.
• Esto se llama energía potencial gravitacional o energía potencial =>
potencial de hacer el trabajo.
3.1 Energía
• Energía potencial (EP), el potencial de hacer un trabajo,
para cualquier objeto:
EP=mgh
m-masa (Kg),
g-aceleracion de la gravedad (m/s2),
h-altura del objeto sobre la superficie (m)
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3.1 Energía
Figura 2.1: La temperatura es una medida de la velocidad media de las
moléculas. La bebida en cada taza tiene la misma temperatura porque la
velocidad media de las moléculas en ambas tazas es igual. La taza a la
izquierda, sin embargo, contiene más energía interna porque contiene
más moléculas.
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1
3.1 Escalas de temperatura
3.1 Escalas de temperatura
•La temperatura más baja posible (es decir las moléculas
se paran totalmente) es -273?C = cero absoluto = las
moléculas tiene cantidad mínima de energía cinética
(ninguna energía termal).
•La escala de temperatura absoluta es la escala de Kelvin
que el comienza en 0 K y no tiene ningún valor debajo
negativo.
Figura 2.2: : Comparación
de las escalas de Kelvin,
Centígradas, y de
Fahrenheit
•Fig. 2.2
•°C = 5/9 (°F – 32)
•K = °C + 273
•0°C = 273 K = 32°F
•-40°C = -40°F = 233 K
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3.1 Calor
3.1 Calor específico
La capacidad de calor de una sustancia es el cociente de
la cantidad de energía térmica absorbida por esa
sustancia a su correspondiente incremento de
temperatura.
capacidad de calor= =
Energía calorifica o termica
∆T
El calor específico es la cantidad de calor necesario para elevar
la temperatura de 1 g de la sustancia en °C.
Toma 1cal de la energía térmica para elevar la temperatura de 1 g del
agua en 1°C.
Así pues, el calor específico del agua es:
1 cal
g.°C
La capacidad de calor de una sustancia por masa de la
unidad es el calor específico.
Energía calorifica o termica
=
Calor Específico
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∆ T masa
Unidades del calor:
J / kg oC or J
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3.1 Calor específico
/ kg K
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3.1 Calor latente
Calor especifico de algunas sustancias
El calor latente corresponde a la energía térmica requerida por una
sustancia para cambiar fase (o estado).
(cal/g.°°C)
(J/kg.°°C)
líquido => vapor = cambio de la fase
1*
4186
líquido => sólido = cambio de la fase
fango mojado
0.60
2512
hielo (°C)
0.50
2093
arcilla arenosa
0.33
1381
aire seco (nivel del
mar)
arena de cuarzo
0.24*
1005
Cuanto más lento es el movimiento de las moléculas en el líquido,
más baja es la temperatura del agua líquida.
0.19
795
granito
0.19
794
Por lo tanto la evaporación conduce a enfriar el líquido (es decir la
energía térmica sale del líquido, energía térmica es tomada del
líquido). La energía entonces se transfiere a las moléculas gaseosas,
es una energía "oculta" (es decir latente).
Agua (pura)
Las moléculas que se mueven más rápidas alrededor de una gota
líquida escapan primero (más rápidamente) durante el proceso de
evaporación.
Las moléculas más lentas permanecen en el líquido.
Ahrens, 2000
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3.1 Calor latente
3.1 Calor latente
680 cal/g
80 cal/g
600 cal/g
Fig. 2.3: Energía térmica absorbida y entregada
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3.2 Transferencia de calor en la atmosfera
Conducción
La conducción se define como la transferencia del
calor a partir de una molécula a otra (del mas caliente al
más frío).
Fig. 2.4: Cada vez que una nube se forma, calienta la atmósfera. Dentro de esta
nube de tormenta en formación, una cantidad extensa de energía térmica
almacenada (calor latente) es entregada al aire, mientras que el vapor de agua
invisible se convierte en mil millones de incontables gotitas de agua y cristales de
hielo. En hecho, para la duración de esta tormenta solamente, más energía
térmica se lanza dentro de esta nube que generada por una bomba nuclear
pequeña.
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3.2 Conducción, propiedades de los
materiales
•La conductividad del calor depende de la estructura de
las moléculas y de los enlaces en el material.
Por ejemplo: el calor se transfiere a partir de un
extremo de un perno del metal al otro (a través de las
moléculas que vibran). (Fig 2.5)
•Los metales parecen fríos porque conducen calor lejos
de la mano muy rápidamente.
Si la diferencia en temperatura es grande, mayor sera
el traspaso de calor.
•El material aislado tiene mucho aire atrapado en él
porque el aire es un conductor muy pobre del calor.
Los materiales tienen diferente conductividad, que
significa diversas capacidades de conducir calor.
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3.2 Conducción de calor
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3.2 Conducción de calor
W=J/s
Pocas condiciones
para trasmitir calor
Buenas condiciones
para trasmitir calor
Fig. 2.5: La transferencia del calor del extremo caliente del perno del
metal al extremo mas frío por el contacto molecular se llama conducción.
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3
3.2 Convección
3.2 Convección
La convección se define como la transferencia del calor como
resultado del movimiento total de un fluido (agua o aire).
El aire mas frío, más densos seran los flujos de aire hacia la
superficie para llenar el espacio.
Las corrientes del océano son resultados de la convección.
Un aire más frío se calienta, etc. y el ciclo continúa. (véase el
cuadro 2.6)
En la atmósfera:
•La superficie se calienta irregularmente.
El aire en la burbuja caliente se levanta, luego se separará hacia
fuera, después se hunde en los costados, y después se mueve de
nuevo a la región calentada, etc. = circulación convectiva (es decir
célula termal)
•Moléculas del aire cerca de la superficie (muy cerca) atrapan
energía por la conducción de la superficie caliente.
•El aire calentado se expande, llegando a ser menos denso que el
aire circundante mas frío.
•El aire expandido, caliente, menos denso llega a flotar y se levanta.
la parte convectiva de la circulación es el levantamiento y el
hundimiento de la parcela de aire.
•Burbujas grandes de aire caliente ascendiendo (se llaman las
termales).
El movimiento horizontal del aire se llama Advección.
•El calor se transfiere hacia arriba.
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El aire que sube se expande y se enfriará
El aire que baja se comprimirá y se calentará
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3.2 Convección
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3.3 Radiación: radiación y temperatura,
radiación solar y terrestre
•
La energía transferida del sol a la superficie es energía
radiante (es decir radiación).
• La energía viaja en ondas electromagnéticas. (Fig. 2.7)
• Las ondas viajan a la velocidad de la luz:
c = 2.988 x 105 km/sec
= 2.988 x 108 m/sec
• La longitud de onda = λ = distancia del pico al pico dado en
unidades de la longitud
Fig. 2.6 El desarrollo de un termal. Un termal es una burbuja de aire
que se levanta que lleva energía térmica hacia arriba por la
convección.
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1 µm = 1 micrometro = 1 micron = 10-6 m
1 nm = 10-9 m
o
1 A
= 10-10 m
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3.3 Radiación
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3.3 Radiación
Longitud de onda:
c
=
λσ
donde:
c
=
λ
=
σ
=
⇔
λ
=
c/σ
velocidad de la luz (m/s)
longitud de onda (m)
frecuencia en Herz (Hz = 1/s)
Cada objeto emite energía debido al movimiento rapido de los
electrones en las moléculas.
La longitud de onda de la emisión depende de la temperatura:
Temperatura más alta -> mayor movimiento; frecuencia más
rápida; onda mas corta (ejm. UV); energía más alta.
Entonces, la energía en la región (UV) ultra violeta es más
grande que la energía en la región infrarroja del espectro.
Fig. 2.6
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3.3 Radiación y temperatura
Ley de Stefan-Boltzmann
3.3 Radiación y temperatura
Ley de Wien
La tierra y el sol emiten energía, la longitud de onda que corresponde a
dicha se halla mediante la ley de Wien:
E = σ T4
E = índice máximo de la radiación emitido cada segundo por cada metro
cuadrado de área superficial de un objeto (es decir la energía radiativa
que resulta del movimiento de moléculas en la sustancia)
σ
T
λmax (µm) = 2897 (µmK )
T (K )
Donde:
=“sigma” = constante de Stefan-Boltzmann
= 5.67 x 10-8 (W m-2 K-4)
= surface temperature (K)
λmax -es la longitud de onda en la cual la radiación máxima ocurre
(es decir la longitud de onda de la energía máxima emitida).
Hallar la λmax del Sol y la Tierra, si la T del Sol es: 6000°K y de la
Tierra en promedio es 288°K (15°C).
Pequeños cambios en T resultan en grandes cambios en energía
emitida
Ejemplo: la T del sol es: 6000°K
Y de la Tierra en promedio es 288°K (15°C).
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λmax (µm) =
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3.3 Radiación solar y terrestre
3.3 Radiación solar y terrestre
Ley de Wien
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2897 (µmK )
T (K )
Hallar la λmax del Sol y la Tierra, si la T del Sol es: 6000°K y de la
Tierra en promedio es 288°K (15°C).
Para la Tierra:
λ max =
2897
= 10.06 µm
288
radiación de onda larga ( IR lejano)
Para el Sol:
λ max =
2897
= 0.48 µm
6000
radiación de onda corta(visible)
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3.4 Balance de radiación – absorción,
emisión y equilibrio
3.3 Radiación solar y terrestre
Absorción y emisión
• Si un objeto absorbe radiación se calientará
•Si un objeto emite radiación se enfriará.
•Por ejemplo: Superficie de la tierra en día y noche.
Cualquier objeto que absorba toda la radiación que le llega y emiten
la máxima radiación posible es un cuerpo negro.
La tierra y el sol son cuerpos negro.
•La ley de Wien y de Stefan-Boltzmann son aplicables a los cuerpos
negro.
•Si el índice de la absorción = al índice de la emisión, entonces hay
equilibrio radiativo. La temperatura media = temperatura radiativa del
equilibrio.
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3.4 Balance de radiación – absorción,
emisión y equilibrio
3.4 Balance de radiación – absorción,
emisión y equilibrio
Absorción y emisión
Absorción y emisión
• La atmósfera no se comporta como cuerpo negro.
• La atmósfera no se comporta como cuerpo negro.
•No absorbe toda la radiación.
•No absorbe toda la radiación.
•Los gases absorben y emiten. Los gases son absorventes
selectivos. Absorben solamente ciertas longitudes de onda de la
radiación.
•Los gases absorben y emiten. Los gases son absorventes
selectivos. Absorben solamente ciertas longitudes de onda de la
radiación.
•Por ejemplo: El vidrio absorbe la radiación UV e IR (no quema) pero no
la radiación visible. El cristal no es un cuerpo negro.
•Por ejemplo: El vidrio absorbe la radiación UV e IR (no quema) pero no
la radiación visible. El cristal no es un cuerpo negro.
Ver La fig. 2.11, animación (http://www.thomsonedu.com/)
Ver La fig. 2.11, animación (http://www.thomsonedu.com/)
•Absorción de la radiación por los gases en la atmósfera.
•Absorción de la radiación por los gases en la atmósfera.
•O2, O3 absorben 100% de UV (< 0.3 µm)
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•O2, O3 absorben 100% de UV (< 0.3 µm)
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3.4 los absorbente y efecto invernadero
de la atmósfera, el efecto invernadero
3.4 Absorción y emisión
Absorción del IR
• El espectro de la
radiación solar fuera de la
atmósfera de la tierra y en
la superficie.
•Si las moléculas
absorben IR emitida de la
tierra, ganan energía
cinética así que la
temperatura en la
atmósfera aumenta.
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3.4 los absorbente y efecto invernadero
de la atmósfera, el efecto invernadero
3.4 los absorbente y efecto invernadero
de la atmósfera, el efecto invernadero
Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Ventana atmosférica
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• El CO2 y H2O absorben IR, pero también lo emiten en el IR. La radiación
va de nuevo a la tierra, calienta la tierra y se re- emite como IR.
El CO2 y H2O actúan como aisladores en impedir que IR se escpaen.
La atmósfera más baja y la superficie son más calientes que si no estarian
presentes estos gases.
Éste es el efecto del invernadero.
•Las nubes absorben en la ventana atmosférica (8 a 11 µm); por lo tanto,
aumentan el efecto del invernadero si están presentes:
Las noches nubladas son mas calientes que las noches despejadas.
Durante el día, las nubes paran la radiación solar para llegar a la tierra =
los días son mas fríos.
CFCs también absorben en la ventana atmosférica. Son también gases del
invernadero (GEI).
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3.4 los absorbente y efecto invernadero
de la atmósfera, el efecto invernadero
3.4 los absorbente y efecto invernadero
de la atmósfera, el efecto invernadero
Sin atmósfera
Figura 12a: La energía del sol
calienta la superficie de la tierra
solamente durante el día,
mientras que la superficie emite
constantemente la radiación IR
hacia arriba. Sin el vapor de
agua, el CO2, y otros gases del
invernadero, la superficie de la
tierra emitiría constantemente la
IR; la energía entrante del sol
sería igual a la energía IR
saliente de la superficie de la
tierra. Sin el efecto del
invernadero, la temperatura
superficial media de la tierra
sería -18°C (0°F).
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Con atmósfera
Figura 12b: Con los
gases del invernadero, la
superficie de la tierra
recibe energía del sol y la
energía infrarroja de su
atmósfera. La energía
entrante todavía iguala
energía saliente, pero la
energía IR agregada la
temperatura superficial
media de los aumentos de
los gases del invernadero
de la tierra sobre 33°C, a
un 15°C cómodo (59°F).
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3.4 los absorbente y efecto invernadero
de la atmósfera, el efecto invernadero
3.4 Calentando la atmósfera desde abajo
El Efecto Invernadero / modelos climáticos
Los modelos del clima también se llaman los modelos de Circulacion
Gemeral (GCMs):
• los modelos corrieron con una asunción del 2x CO2 (doble) y predicen un
aumento de 1-2.5°C a nivel global.
• la evaporación aumentaría
• el vapor de agua aumentaría
• el vapor de agua es un GEI así que la atmósfera continúa
calentándose aún más
Figura 3.13El aire en la atmósfera más baja se calienta de abajo. La luz del
sol calienta la tierra, y el aire arriba es calentado por la conducción, la
convección, y la radiación. El calentarse adicional ocurre durante la
condensación mientras que el calor latente se da hasta el aire dentro de la
nube.
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3.5 Energía solar incidente: radiación
difusa y reflejada, balance anual de la
energía de la Tierra.
• mecanismo positivo de retroalimentación para las nubes y el ciclo
del agua
•los aerosoles y los océanos son muy complicados, los procesos de
retroalimentación son aun desconocidas.
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3.5 Energía solar incidente
Constante solar
•El área debajo de la curva de la radiación solar (todas las longitudes de
onda) es la radiación solar total que alcanza la órbita de la tierra.
Espectro solar
•Esta cantidad comúnmente se llama la constante solar:
Figura 2.9 representa el espectro solar total.
•Los seres humanos pueden ver solamente la región visible.
• La tierra emite casi totalmente en la región (IR) infrarroja.
•El Sol emite sobre todo en las regiones del visiblese infrarrojo
cercano.
•Los satélites que miden en IR pueden ver las diferencias en
las temperaturasde las superificies (nubes, agua, superficie,
etc.).
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S = 1379 (+- 7) W m-2 = 1379 J/s m-2
•Esto corresponde a un flujo de la energía (S = ET) en el tope de la
atmósfera.
•Este valor se puede derivar sabiendo la salida de energía total del Sol
(Ls = 3.9 x 1026 W) y el área superficial de la esfera que rodea el Sol,
que es 4 Pi (RT)2 con
RT = 1.5x108 kilómetro = 1.5x1011 m = 1 A.U. (unidad astronómica)
siendo la distancia media entre el planeta (es decir tierra) y el sol.
•Flujo de la energía en la tierra = ET = Ls/4 Pi (RT)2
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3.5 Radiación solar: difusa y reflejada
3.5 Radiación reflejada: Albedo
• El albedo es la capacidad de un cuerpo de reflejar la
energía
•La radiación (es decir energía de la radiación solar) experimentará:
•Absorción por los gases, las nubes y los aerosoles
•Dispersión (los gases y las partículas) en todas las direcciones (es decir
luz difusa) (Figura 2.14)
•La dispersión es la más eficiente si el tamaño de la longitud de onda de la
radiación es igual que el tamaño de la molécula o de la partícula que está
haciendo la dispersión.
•Puesto que las moléculas del gas son muy pequeñas comparadas a los
aerosoles y a las gotas de la nube, las moléculas del gas dispersarán muy
eficientemente las longitudes de onda más cortas.
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• Una gran parte de la radiación es reflejada hacia la atmósfera
sin que produzca ningún calentamiento de la superficie de la
tierra.
• La proporción reflejada denominada “albedo” o coeficiente de
reflexión (α), depende del tipo de superficie:
• bosques es del 9 al 18 %, según el tipo de árbol
• ciudades del 14 al 18 %
• la arena del desierto entre el 30 y 40 %.
• La nieve llana y recién caída puede reflejar hasta un 85 %
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3.5 Balance de radiación
3.5 Radiación reflejada: Albedo
•
•
44
Albedo de la Tierra:
30% refleja y
dispersa
4
El albedo de la Tierra, es
alrededor de un 0.3. Esto
significa que alrededor de
un 30% de los 342 W·m-2
que se reciben (es decir
algo más de 100 W·m-2 )
son devueltos al espacio
por la reflexión de la Tierra.
Se calcula que alrededor de
la mitad de este albedo es
causado por las nubes,
aunque este valor es,
lógicamente, muy variable,
dependiendo del lugar y de
otros factores.
20
Rad. incidente
100 unid
6
Tope de la atmósfera
Atmósfera
nubes
Superficie
terrestre
Directa y difusa
19 es
absorbido por
atmósfera
y nubes
Adaptado de Ahrens, 2000
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46
3.5 balance de radiación
Energía perdida al espacio
Energía ganada
por la atmósfera
Energía
perdida por
la atmósfera
Energía perdida en
la superficie
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Energía ganada en la
superficie
47
8