El Tiempo Atmósferico y la Hidrología

El Tiempo Atmósferico y la
Hidrología
Laura Ibáñez
Departamento de
Irrigación-UACh
METEOROLOGÍA vs.
CLIMATOLOGÍA
Meteorología es una ciencia que estudia los fenómenos
atmósfericos para caracterizar el estado del tiempo en un
lugar determinado.
Climatología es la ciencia que estudia la clasificación,
osciliación y distribución de los climas sobre la superficie
terrestre.
•Estudia la atmósfera terrestre desde la superficie de la tierra hasta una
altura de 1600 km apróximadamente (la climatología solo la estudia hasta
una altura de 30 m)
•Está interesada en lo que ocurrirá dentro de las 24 o 48 horas siguientes (se
interesa en la historia de la atmósfera de un lugar)
•Pronóstica el futuro a plazos cortos de uno o dos días (pronostica el futuro
con base a la información generada los últimos 30 años)
•Es considerada una ciencia geofísica (es una ciencia geográfica)
TIEMPO ATMÓSFERICO
Es el estado momentáneo del conjunto de fenómenos
meteorológicos que se dan en un determinado lugar.
En un determinado lugar se puede decir: frío o cálido,
húmedo o seco, lluvioso o sin lluvia, con viento o
calmado. METEOROLOGÍA.
ELEMENTOS DEL TIEMPO O CLIMA
Son el resultado de la acción conjunta de todos los
fenómenos meteorológicos. Algunos elementos son:
radiación solar, temperatura, presión atmósferica,viento,
evaporación, humedad atmósferica, nubosidad, precipitación,
fenómenos eléctricos, fenómenos ópticos, y fenómenos
acustícos (truenos)
CLIMA
Es el conjunto de los fenómenos meteorológicos que
caracterizan el estado medio de la atmósfera en algún
lugar.También se define como el conjunto de
fenómenos meteorológicos que se dan con mayor
frecuencia en un determinado lugar. Es una medida de
los valores normales y extremos de las variables
meteorológicas (p. ejem temperatura) registradas
durante una serie de años (30 o más). CLIMATOLOGÍA
Factores del clima: modifican a los elementos
del tiempo y del clima.
Altitud, latitud, distribución de tierras y aguas, corrientes
marinas, circulación general de la atmósfera, radiación solar,
relieve, la forma y movimiento de la tierra, vegetación, tipo
de suelo, orientación del relieve, exposición a viento
METEOROLOGÍA
•METEOROLOGÍA DINAMICA: movimiento de la atmósfera,
movimiento del calor y de la humedad
•METEOROLOGÍA FÍSICA: radiación solar, radiación
terrestre, temperatura, evaporación, condensación, nubes,
precipitación
•METEOROLOGÍA SIPNÓTICA: estudia estado de la
atmósfera en un tiempo determinado, predice estado del
tiempo
METEOROLOGÍA POR APLICACIONES
EN LA INGENIERÍA
•METEOROLOGÍA AGRÍCOLA
•METEOROLOGÍA INDUSTRIAL
•METEOROLOGÍA TURÍSTICA
•HIDROMETEOROLOGÍA: Ciencia encargada de estudiar los
procesos atmósfericos que afectan los recursos hídricos de la tierra
ó estudio de las fases atmosféricas y terrestres del ciclo
hidrológicos y en especial sus interrelaciones.
El Tiempo Atmósferico y la
Hidrología
•La atmósfera
•Radiación solar y terrestre
•La temperatura
•Vientos
•Circulación General de la
atmósfera
•Humedad atmósferica
•Agua Precipitable
LA ATMÓSFERA
La atmósfera terrestre ( del griego atmos=vapor y sphaira =
esfera), es una mezcla de gases llamada aire. En la
atmósfera estan en suspensión cantidades variables de
partículas sólidas y líquidas. Es la parte áerea que cubre la
superficie terrestre hasta una altura de 1600 km.
Funciones de la Atmósfera
•Actúa como un filtro protector contra las radiaciones ultravioleta,
gama y rayos X del sol.
•Regula la temperatura de la tierra. La propiedad de la atmósfera
es absorber y perder calor lentamente impidiendo calentamientos o
enfriamientos bruscos.
•Es una fuente de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, anhídrido
carbónico y de agua.
ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA
TEMPERATURA
Estructura Vertical de la Atmósfera
En la capa más baja, la troposfera, la temperatura disminuye con la
altura en un promedio de 6.5 grados C/km. El aire en esta capa
esta muy mezclado debido a corrientes convectivas verticales. Casi
todas las nubes son encontradas en estas capas. Alcanza los18
km sobre las regiones ecuatoriales y de 7 a 8 km en los polos. Aquí
ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos; contiene casi
el 100% del vapor de agua que existe en la atmósfera. Constituída
principalmente de dos gases: nitrógeno y óxigeno.
La segunda capa es llamada la estratosfera u ozonosfera, tiene un
límite superior de 45 km. La temperatura es relativamente
constante en la parte baja, pero se incrementa con la altura. El
color que toma se atribuye a la absorción de la radiación
ultravioleta del sol por el ozono. Esta constituída principalmente de
ozono e hidrógeno. Aquí ocurren los vuelos de aviones
supersónicos. El aire solo se mueve horizontalmente.
Estructura Vertical de la Atmósfera
La mesosfera es la zona entre 45 y 80 km en la cual la temperatura
disminuye rápidamente con la altura, alcanzando apróx -95 grad. C
en la mesopausa (El punto más frío en la atmósfera). Aquí están
las nubes más altas. Los meteoritos se desintegran en estas capas
por la fricción con el óxigeno.
En la termosfera la temperatura aumenta con la altura, alcanzando
temperaturas de hasta 1000 g.c. Su espesor se extiende hasta los
1600 km. Mucha actividad eléctrica (ionosfera). Pierde densidad
gradualmente hasta que la atmósfera deja de existir.
PRINCIPALES GASES QUE
COMPONEN LA ATMÓSFERA
TERRESTRE
Componente
Nitrógeno
Oxígeno
Argón
Neón
Helio
Metano
Criptón
Hidrógeno
% en volúmen Concentración
de aire seco
en ppm de aire
78.084
20.946
0.934
0.00182
18.2
0.000524
5.24
0.00015
1.5
0.000114
1.14
0.00005
0.5
PRINCIPALES GASES VARIABLES
EN LA ATMÓSFERA
Componente
% en
volúmen de
aire seco
Vapor de agua
Anhídrido carbónico
(CO2)
Monóxido de
carbono
Anhídrido sulfuroso
0-3
0.0325
Anhídrido nitroso
Ozono
Concentración en
ppm de aire
325
100
0-1
0-0.2
0-2
VAPOR DE AGUA E IMPUREZAS
Desde el punto de vista de la Ing. Hidrológica el
componente más importante de la atmósfera es el
agua en forma líquida, sólida, pero más la gaseosa
(vapor de agua). Este componente, con las
condiciones adecuadas de temperatura y presion se
convertirá en precipitación.
El aire contiene también una cantidad variable de
impurezas tales como polvo, hollín, sales, smog y
microorganismos. Estos después se convertiran en
nucleos de condensación cuando se van agrupando
las gotas que finalmente caerán en forma de lluvia.
Cambios en la atmósfera
•Erupciones volcánicas: reduce radiación solar
•El Niño: cambia los patrones de precipitación
•Polvo y partículas sólidas: reduce radiación
•Sobrecalentamiento por efecto de los gases
invernadero, en especial del CO2
•Rompimiento de la capa de Ozono: uso
indiscriminado de sustancias llamadas
clorofluorocarburos (CFC)
•Lluvia ácida: nitrógeno y azufre. Industria
automotriz.
RADIACIÓN SOLAR Y
TERRESTRE
FORMAS DE CALENTAMIENTO DE LA
ATMÓSFERA
•CONDUCCIÓN: contacto directo, especialmente entre
dos cuerpos sólidos. Despreciable en la atmósfera
porque el aire es un mal conductor pero es importante
en el suelo.
•RADIACIÓN: el calor se transmite a través de ondas
electromagnéticas, las cuales viajan a través del vacío.
Es la manera en que la tierra y la atmósfera se
calientan al recibir la energía solar.
•CONVECCIÓN: el aire que está en contacto con la
superficie del suelo, una vez que se calienta por
conducción y radiación, se eleva. El aire caliente se
mueve hacia arriba y el frío baja. (mov. vertical
circulatorio del aire ascendente y descendente dandole
así calor a la atmósfera).
RADIACIÓN
Es un proceso físico mediante el cual se transmite
energía en forma de ondas electromagnéticas. Las
ondas poseen dos características: longitud y
frecuencia.
El sol es la principal fuente de energía para el planeta;
la radiación solar constituye el 99.97% de la energía
involucrada en los fenómenos meteorológicos (onda
corta). Otras fuentes de energía son la radiación
emitida por la tierra (onda larga).
La radiación solar influye enormemente en ciclo
hidrológico, en el cual los cambios de estado físico
(evaporación, evapotranspiración) requieren energía.
RADIACIÓN SOLAR Y
TERRESTRE
Radiación Solar = onda corta. Longitud de
onda 0.4 a 0.7 micrometros (400 a 700
nanómetros)
Radiación emitida por la tierra = onda larga
Longitud de 0.7 a 20 micrometros
Tipos de radiación solar
•Radiación química o ultravioleta: radiaciones con longitud de onda
pequeña (menor de 400 nm). Producen efectos menores en plantas y
animales y son absorbidos por las moléculas de ozono y oxígeno
que son quienes protegen a los seres vivos de los efectos nocivos de
los rayos ultravioleta.
•Radiación luminosa o luminica: es la única visible para el ojo
humano y su long. De onda varía de 400 a 700 nm. Constituye lo
que comúnmente llamamos luz. Es la más importante para cualquier
tipo de vida.
•Radiación térmica o infrarroja. Son las radiaciones cuya longitud
de onda es mayor a 700 nm. La mayor parte de esta radiación es
absorbida por el dióxido de carbono y el vapor de agua de la
atmósfera. Si llegara con toda su intensidad se calentaría la tierra
Espectro electromagnético:
espacio
ocupado
por
el
conjunto
electromagnéticas emitidas por el sol.
•Rayos gamma
•Rayos X
•Luz ultravioleta
•Luz Visible
•Rayos Infrarrojos
•Microondas
•Ondas de Radio y Televisión
de
es el
ondas
RADIACIÓN DE ONDA LARGA
Tanto la superficie del terreno como la superficie libre del agua
emiten radiación, porque una propiedad de la radiación solar es
que al encontrarse con un cuerpo, es absorbida por este y emite a
su vez radiación con longitud de onda larga hacia la atmósfera.
La mayor parte de la radiación de onda larga emitida es absorbida
por el vapor de agua, las nubes y el dióxido de la atmósfera y una
porción es reirradiada como radiación atmósferica.
VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR A SU
PASO POR LA ATMÓSFERA TERRESTRE
RADIACIÓN
Del total de la radiación que llega a la atmósfera terrestre apróx. el
30% es reflejada al espacio principalmente por las nubes y
superficie terrestre. Un 19% es absorbida por las nubes y la
atmósfera y un 51% es absorbida por la superficie.
Radiación solar = radiación directa + radiación difusa = radiación
global. La directa es transmitida integra hasta el suelo. La difusa
es la que es reflejada o dispersa. La proporción de radiación
directa y difusa que recibe el suelo depende de la altitud del sol,
la absorción de la atmósfera, nubes, etc.
El método de cálculo de evapotranspiración de Turc es basado
directamente en información sobre radiación solar incidente o
radiación solar directa.
RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE
La radiación solar incidente (Ri) es aquella radiación solar
que llega directamente a la superficie (no es reflejada ni
dispersada) se calcula así (Armstrong)
n 

Ri = R A  a + b

N


a = 0 . 290 cos( latitud en grados )
b = 0 . 550
Ri= Radiación solar incidente diaria para el mes, langleys/día
RA = radiación global incidente, langleys/día (tabla 3.2 y depende de la
latitud)
a y b = constantes empíricas
n = duración observada de las horas luz (medida con heliografo de
Campbell-Stokes) u horas brillo
N = número máximo de horas luz (tablas y depende latitud y del mes).
Langley = 1 cal/cm2; 1 cal =4.18 joules
EVAPOTRANSPIRACIÓN- MÉTODO DE TURC
 t 
(Ri + 50)
ETP = a 

 t + 15 
'
langley=cal/cm2
ETP = evapotranspiración potencial en mm
t = temperatura mensual del aire en grados centigrados
Ri= Radiación solar incidente media diaria del mes en langleys/dia
a’=0.40 para meses de 30 y 31 días; =0.37 para febrero; 0.13 para intervalos de
10 días
NOTA: se hace una corrección a ETP para zonas áridas con el siguiente factor:
 50 − H .R. 
1+ 
 70 
Balance de energía entre la tierra y la atmósfera:
Radiación onda corta y radiación onda larga
EL BALANCE DE CALOR EN LA
TIERRA
La Figura muestra que pasa a la energía de la tierra.
Aunque existe un balance de calor para el planeta
como un todo, no todas las partes estan en balance
radiactico.
Es el inbalance entre la energía que entra y la que sale
sobre la tierra que conduce a la creación de sistemas
de viento y corrientes en el oceano que actúan para
aliviar los excesos y deficits de calor.
Tormentas
severas
CALENTAMIENTO DEL PLANETA
(TEMPERATURA)
Factores que influyen en la temperatura:
•Influencia de tierras y mares
•Influencia de la altitud
•Influencia de la latitud
•Nubosidad
•Estaciones del año
Variación estacional de la Temp
Julio
T media en la sup.
Enero
Oceano y temperaturas
El oceano actúa como almacen de calor. Existe una
variación más grande de temps. sobre los continentes
que sobre el oceano.
También note que las isotermas se sumergen hacia el
ecuador cuando van sobre el oceano en verano y se
van hacia los polos en el invierno, indicando que el
oceano es más frío que el continente en el verano y
más caliente que el continente en invierno.
Maravillas de la
naturaleza
VIENTOS
Es el aire en movimiento horizontal debido principalmente
a las diferencias de temperatura existente entre dos
masas de aire, a las fuerzas de: presión, fricción, Coriolis,
gravedad; forma y movimiento de la Tierra. Generalmente
se le llama viento solo al componente horizontal del
movimiento del aire, pues el vertical es casi siempre
pequeño.
El viento es un regulador de la temperatura atmósferica ya
sin ellos los polos serían más fríos y el ecuador se
calentaría en forma inimaginable. Los vientos mueven a
las nubes y también arrastran los contaminantes
atmósfericos.
VIENTOS
En los procesos de evaporación y evapotranspiración el
viento lleva calor y vapor de agua hacia la superficie
evaporante o hacia afuera de la misma. El viento es un
componente esencial de las tormentas. Su velocidad se
mide con anemometros o anemografos y su dirección por
medio de veletas.
Fuerzas que originan los vientos
Las fuerzas que producen los vientos son
fundamentalmente: la de presión atmósferica (P), la de la
fuerza de Coriolis (c) y la de fricción (F).
•El viento se mueve por un gradiente de presiones. De
mayor a menor presión (isobara: une puntos de igual
presión). P
•La fuerza de Coriolis produce un efecto desviador en los
vientos (por rotación de la tierra). C.
•La fuerza de fricción (con la atmósfera) es muy pequeña
y cobra fuerza para altitudes mayores de 600 m. F
Balance de Fuerzas
VIENTOS
•IRREGULARES
Huracanes o ciclones tropicales
Trombas
Tornados
Vientos Locales: Barlovento y sotavento
•PERIÓDICOS
Brisas Regionales: brisa de mar, brisa de tierra, brisa de valle, brisa de
montaña
Brisas Continentales: monzones o estacionarios
•REGULARES (Circulación General de la Atmósfera)
Alisios
Oeste
Polares
Circulación General de la atmósfera
Modelo Teórico
La circulación general de la atmósfera es la distribución
general media de los vientos sobre la superficie del globo.
La principal fuente de energía para los movimientos de la
atmósfera es el calentamiento solar.
El modelo teórico también puede llamarse de circulación
térmica y considera a la tierra como una esfera
homogénea sin rotación. Entonces debido a las
temperaturas progresivamente decrecientes del ecuador a
los polos, el aire del ecuador sería más caliente, se
dilataría y elevaría siendo reemplazado por aire frío
proveniente de los polos, entonces el viento seguiría los
meridianos funcionando como una celula convectiva.
Circulación General de la atmósfera
La circulación general de la atmósfera afecta el clima y en
especial la precipitación.
El modelo teórico anterior se ve modificado por el
movimiento de la tierra (oeste a este). La rotación origina
una fuerza desviadora llamada de Coriolis. Que hace que
los vientos se inclinen en la dirección NE-SO en el
hemisferio norte y NO-SE en el hemisferio Sur
Del esquema de la circulación general de la atmósfera se
indica que el aire se mueve de zonas de alta presión
(anticiclones ) a zonas de baja presión (ciclones)
DIFERENCIAS DE PRESIÓN, DETERMINANTES EN
LA CIRCULACIÓN GRAL. DE LA ATMÓSFERA
CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
La circulación general de la atmósfera ayuda a definir
las zonas más lluviosas. Los desiertos se encuentran
en las zonas de alta presión, especialmente
alrededor de los 30 grados de latitud. Los climas
húmedos se encuentran en aquellas regiones en las
que existen movimientos ascendentes del aire como
ocurre en las calmas ecuatoriales y en los cinturones
de latitudes medias.
El Tiempo Atmósferico y la
Hidrología
•La atmósfera
•Radiación solar y terrestre
•La temperatura
•Vientos
•Circulación General de la
atmósfera
•Humedad atmósferica
•Agua Precipitable
HACIA EL CONCEPTO DE
AGUA PRECIPITABLE
•Presión atmósferica
•Humedad atmósferica
•Presión de vapor a
saturación
•Punto de rocío
•Humedad específica, qh
•Agua Precipitable
Presión atmósferica
Es el peso de la columna de aire que gravita sobre una
unidad de área. La presión (p) varía con la altura (z). A
nivel del mar (z=0) la presión atmósferica es de 1 bar
(=760 mm Hg).
 288− 0.0065z 
p = 1013. 2

288

p = presión atmósferica en milibares
z =altitud sobre el nivel del mar en metros
Apróx. Varia 1 mb por cada 10 metros; valida
hasta los 12,000 m
5.256
HUMEDAD ATMÓSFERICA
• Es la cantidad de vapor de agua que
contiene la atmósfera. Esta varía del 0
al 5% del volumen total de la
troposfera y proviene principalmente
de la evaporación de los oceanos;
otra buena parte proviene de los
lagos, ríos, manantiales, superficies
húmedas, respiración y transpiración
de los seres vivos.
IMPORTANCIA DE LA HUMEDAD
ATMÓSFERICA
• Es la responsable de la aparición de los
hidrometeoros (nubes, lluvia, niebla, rocío,
etc.)
• Origina el agua dulce que mantiene la vida
en la tierra
• Regula la pérdida de calor que irradia la
tierra, influyendo en el calentamiento y
enfriamiento de la atmósfera
• Representa una fuente de energía en forma
de calor latente que se libera al formarse las
nubes (condensación)
Formas de como se expresa la humedad
atmósferica
•
•
•
•
•
•
Presión ó Tensión de vapor a saturación, eS
Tensión de vapor actual, e
Humedad absoluta, HA
Humedad específica, qh
Humedad relativa, HR
Punto de rocío (temperatura punto rocío, Td)
Formas de expresar la humedad
atmósferica
• Presión de vapor actual, e: es la presión que ejerce el vapor
de agua contenido en un momento dado por el aire; indica
la cantidad de vapor de agua que existe en el aire. Se mide
en milibares o mm de mercurio.
• Presión de vapor a saturación, es : es la presión de vapor
que ejercen las moléculas de vapor de agua contenidas en
un volumen de aire cuando éste, contiene todo el vapor de
agua que es capaz de contener. Existe una tabla que para
cada temperatura, corresponde una es. Se mide en milibares
o mm de mercurio.
Formas de expresar la humedad
atmósferica
• Humedad absoluta: es el peso, en gramos del vapor de
agua contenido en um m3 de aire, sin tomar en cuenta
su temperatura, HA
• Humedad Específica: Es el peso en gramos del vapor de
agua contenida en un kilogramo de aire.
e
qh = 622
p − 0.378 e
e = Presión de vapor , mb
p = presión atmósferica, mb
1 mm Hg = 1.3332 milibares
Formas de expresar la humedad
atmósferica
•
Humedad relativa, HR: es el cociente que resulta de dividir la
cantidad de vapor de agua que existe en el aire, e entre la
cantidad máxima que puede contener a una cierta temperatura
expresada en porcentaje de saturación
e
HR = × 100
eS
• Punto de rocío: es la temperatura a la cual el vapor de agua
de la atmósfera empieza a condensarse. Cuando la HR es
del 100% se dice que el aire esta saturado y la temperatura
a la cual alcanzo dicha saturación se le conoce como punto
de rocío. Si la saturación se alcanza a t >= 0 g.c. la
condensación es líquida de lo contrario es sólida
(escarcha, nieve, granizo)
Estimación de la presión de vapor actual
a partir de Psicrometro tipo Assman
e = esh − 0.00066 × p × (Ts − Th )(1 + 0.00115 Th )
Ts= Temperatura del bulbo seco, en g.c.
Th= Temperatura del bulbo húmedo en g.c.
esh = Presión de vapor a saturación para Th, en mb
e = Presión de vapor , mb
p = presión atmósferica, mb
1 mm Hg = 1.332 mb
Temperatura a punto de rocío (Td)
T − Td = (14.55 + 0.114 T ) X + [(2.5 + 0.007 T )X ] + (15.9 + 0.117 T )( X )14
3
T= Temperatura ambiente, oC
Td= Temperatura del punto de rocío
X = 1.0 - (H.R./100)
H.R. = Humedad relativa
AGUA PRECIPITABLE, Wp
• Tirante en mm que resultaría de la condensación y
precipitación de todo el vapor de agua contenido en la
columna de aire. Aunque no existe en la naturaleza un
proceso capaz de precipitar toda la humedad de una capa
de aire, da una idea de la precipitación que pudiera llover.
Se calcula por incrementos de presión o altura:
po
p0
pz
pz
W p = 0.01 ∫ q h dp = ∑ 0.01 q h ∆p
qh = humedad específica media en cada
intervalo, gr/kg
p = Incremento de presión en mb
Wp = Lámina precipitable en mm
Las radio sondas
miden humedad
especifica
ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA
TEMPERATURA
RADIO SONDA METEOROLÓGICA
Mide temperatura,
presión y humedad
atmósferica con
sensores.
EL GLOBO PARA LA RADIOSONDA
La radiosonda se pega a un
globo de hidrógeno que se
elevará por la troposfera y
estratosfera baja (cuando
mucho 30 kilómetros hacia
arriba) en un tiempo no mayor
de 90 minutos. En tierra un
equipo recibirá la información
de los sensores de
temperatura, humedad y
presión.