Presión Atmosférica y Vientos

Presión
Atmosférica y
Vientos
Concepto de Presión
• La atmósfera contiene una gran cantidad de
moléculas de gas que son atraídas hacia la
Tierra por la fuerza de gravedad.
• Estas moléculas ejercen fuerza sobre todas las
superficies con las que están en contacto, y la
cantidad de fuerza ejercida por unidad de
superficie es la presión.
Medidas de presión
• La unidad original para medir la presión
atmosférica es el mmHg.
• La unidad estándar de presión es el pascal (Pa)
• Los meteorólogos en USA usan los milibares
(mb) que equivale a 100 Pa.
• Un mb = 100 newtons por m2.
• Los meteorólogos canadienses usan el
kilopascal (kPa), que equivale a 1000 Pa, o 10
mb.
• La presión media a nivel del mar es 1013.25
mb que equivale a 760 mmHg.
Qué es la presión
• Imaginemos una caja cerrada…
• Las moléculas se
mueven ejerciendo
presión en las
paredes.
• La presión puede
aumentar por un
aumento en la
densidad de
moléculas.
• Un aumento en la
temperatura.
La presión refleja la densidad y
la temperatura del gas
La ecuación de estado (Ley de los gases ideales)
p=ρRT
donde p es presión expresada (Pa),
ρ (rho) es la densidad del gas (kg),
R es una constante equivalente a 287 joules por kg por kelvin,
T es la temperatura en kelvins.
¿Que significa la ecuación?
Si la densidad del aire aumenta mientras la temperatura se
mantiene constante…
la presión aumentará
Si la densidad aumenta y la temperatura incrementa…
la presión aumentará
… pero en la atmósfera es distinto.
¿Porqué?
1. Temperatura varía con la altura
Tropopausa en Ecuador: 18km altura
Polo: 6km altura
2. Y porque esta compuesta por muchos gases
• Cada gas ejerce una presión específica
según su naturaleza: presión parcial
• La presión total ejercida es la suma de
todas las presiones parciales.
• Nitrógeno: aprox. 760 mb
Oxígeno: aprox. 240 mb
Vapor de H2O: aprox. 10 mb
Ley de Dalton
El aire se mueve constantemente para generar un equilibrio entre
áreas de alta y baja presión
Lo que experimentamos como presión
atmosférica no es mas que la masa de aire
sobre nosotros empujada hacia abajo por la
fuerza de gravedad.
Presión en punto X = la masa
(peso) de la atmósfera en ese
punto
El peso del aire a nivel del mar es aprox.
10.000 kg por m2.
Instrumentos de medición
• El instrumento estándar
de medición de presión
es el barómetro de
mercurio inventado por
Evangelista Torricelli en
1643 (peso del aire)
• La presión barométrica es
generalmente expresada como la
altura de la columna de mercurio en
el barómetro, usando de referencia
aquella a nivel del mar que es de 76
cm aprox.
• Barómetro aneroide: sin liquido /cámara comprimible
con poco aire (semivacío).
• Funcionamiento: el peso de la atmósfera comprime la
cámara y esta compresión es proporcional a la presión
del aire.
• Cuando éstos toman medidas continuas por largos
periodos, se llaman barógrafos.
• ALGUNAS DEFINICIONES
• La presión superficial: presión observable en un
lugar determinado
• La presión a nivel del mar: presión observable si
el punto estuviese al nivel del mar.
• La presión a nivel del mar nos sirve de punto de
comparación para presiones a distintas
elevaciones.
Presión y elevación
Dado que la presión atmosférica es respuesta al “peso de la atmósfera”, esta
siempre decrece con la altitud.
• La presión NO
decrece a una tasa
constante.
• Disminuye
exponencialmente
con la altura.
• Decrece más rápido
en bajas que a altas
elevaciones.
• 50% de la masa total
de aire se encuentra
por debajo de los 5
km.
Distribución de presiones
• La distribución de las presiones (a nivel del mar) en el
planeta, es una característica atmosférica variable
(100mb max)
• Para visualizar esta distribución los meteorólogos
grafican líneas que se llaman isobaras.
• Isobaras: líneas que conectan puntos que tienen la
misma presión (normalizadas) a nivel del mar
• Los lugares que están entre dos isobaras tienen valores
de presión dentro del rango de presión de las isobaras
adyacentes.
Qué provocan estos centros de
presión
• Si el aire de una región ejerce mayor presión
que el aire en una región adyacente, el aire
que esta en la región de alta presión se
deslazará hacia la zona de baja presión,
¿Que sería ese
movimiento de
aire de H a L?
1. Isobaras están descritas en intervalos de 4 mb
2. El espacio entre una y otra indica la intensidad del gradiente de presión entre
localidades (tasa de cambio de presiones: distancia y diferencia)) motor del mov
de los vientos (velocidad + algo mas)
3. Agrupamiento denso de isobaras indica una fuerte gradiente de cambio de presión
(cambio rápido con la distancia) mientras que clusters menos densos indican un
gradiente débil.
4%
y son
3000km
El gradientes de presión horizontal son en general pequeños entre un área y otra
Si el aire se mueve de centros de
alta presión a centros de baja
presión…..
Esto implica que el aire debería ir siempre
hacia arriba
¿Por que el aire no se “escapa” hacia la
parte alta de la atmósfera y aun podemos
respirar?
• La fuerza de gradiente de presión vertical
y la fuerza de gravedad son
normalmente del mismo valor y operan
de direcciones opuestas.
• Esto se llama:
EQUILIBRIO HIDROSTÁTICO
Presión y Temperatura
• Altas temperaturas generan centros de
baja presión
• Bajas temperaturas generan centros de
alta presión (por ej Anticiclón del Pacífico)
Misma masa pero
menor densidad y
los 500mb están
ahora en 5700m
Este cambio en
densidad producto del
calentamiento de la
masa de aire genera
que la columna fría
tenga mayor gradiente
de presión vertical
En el aire tibio la presión
atmosférica baja a
500mb en 5700m
mientras que en el frío,
esa presión se alcanza a
los 5640m
Gradientes de presión horizontal en la atmósfera alta
Las diferencias de presión en relación a una altura
dada, varían en relación a la latitud (temperatura)
Presión y Latitud
Teoría de la celda única
Teoría de las tres celdas
Fuerzas que afectan la velocidad y
dirección del viento
• La distribución desigual de la presión
atmosférica la Tierra genera las gradientes de
presiones horizontales que son el motor básico
del movimiento del aire en forma de viento
(movimientos advectivos).
• Si no hubiesen otras fuerzas, el aire siempre iría
en dirección (recto) de mayor a menor presión.
• La situación no es tan simple producto de otros
dos factores:
– Fuerza de Coriolis
– Fricción
Efecto Coriolis
La rotación de la Tierra genera la fuerza de Coriolis que
causa el desvío del viento hacia la derecha en el
Hemisferio Norte y a la izquierda en el hemisferio sur
La fuerza de Coriolis es cero en el ecuador e incrementa
con el aumento de la latitud hasta ser máxima en los
polos.
La fuerza de Coriolis aumenta proporcional al aumento
de la velocidad del objeto sobre el cual está actuando,
sin embargo, ésta fuerza sólo puede cambiar la
dirección del movimiento de un objeto pero nunca su
velocidad.
Si un objeto se mueve en una base rotatoria en sentido antihorario
0 en el Ecuador y muy alta en los Polos
Los centros de alta presión
“expulsan” el aire mientras que
los de baja presión los “atraen”
Efecto de Coriolis sobre los centros de presión
en el hemisferio norte y sur
Como sale
Como ingresa
Fricción
El aire en contacto con la superficie experimenta roce
por lo cual decrece la velocidad del viento.
¿Donde se dan las mayores velocidades del viento?
La fricción es muy importante en los 1.5 km más bajos
de la atmósfera.
El aire en la atmósfera libre, sobre los 1,5 km casi no
experimenta fricción.
Medición estándar 6 m de altura
• La influencia de la fricción y la fuerza de
Coriolis en el movimiento de las masas de
aire cuando hay una gradientes de presión
horizontal, la definió Newton con su
segunda ley
Esta ley dice que la aceleración
de una parcela de aire depende
de la fuerza neta que actúa sobre
ella, por lo tanto necesitamos
considerar todas las fuerzas
juntas y considerar su magnitud y
dirección.
La ecuación del movimiento
Δv / Δt = Fp + Fc + Ff
Fp es la gradiente de presión,
Fc efecto Coriolis,
Ff fricción.
La ecuación nos dice que la aceleración de
una masa de aire es la suma de todas las
aceleraciones de estas tres fuerzas.
Ciclones y Anticiclones
Movimiento estacional debido a la distinta exposición
verano invierno
Presión atmosférica en el mes de enero
Presión atmosférica en el mes de julio
¿Cuál de los dos se ajusta mejor?
Las corrientes marinas en relación
a los vientos globales
Las áreas de alta presión
delimitadas por isobaras o
contornos de altura de presión
circulares se llaman
anticiclones.
Cerca de la superficie, el viento
rota en sentido horario alrededor
de los anticiclones en el
hemisferio norte porque la
fuerza de Coriolis los dirige
hacia la derecha y el gradiente
de presión los empuja hacia
afuera del centro (alta presión!)
En la parte alta de la atmósfera
fluye paralelo a los contorno de
altura
En el Hemisferio Sur el flujo es
contra horario.
ANTICICLONES
• Un anticiclón térmico es el descenso de una masa de
aire debido a que está más fría que el entorno. Se
produce cuando el aire desciende por enfriamiento,
aumenta la presión atmosférica, y la pérdida de
temperatura es mayor en las capas bajas que en las
altas, provocando una inversión térmica. Provocan un
tiempo seco, soleado y frío.
CICLONES
Los centros cerrados de
baja presión se llaman
ciclones.
Los espirales de aire van
en dirección antihorario
hacia la superficie en el
Hemisferio Norte y rotan
antihorario en dirección
hacia arriba
En el hemisferio sur
ocurre lo contrario
Circulación general de la
Atmósfera
Anticiclón del Pacífico
• Frente a las costas del norte de Chile,
entre los 20° y 30° de latitud sur.
• Centro de alta presión.
• Masa de aire seco.
• Durante el verano se desplaza hacia el
sur hasta los 45 ° de latitud sur, y
retrocede en invierno a la altura de Curicó.
• La influencia del anticiclón en el clima y
tiempo de Chile es muy fuerte.
Masas de aire sub
tropicales y cinturón
de bajas presiones
(vientos alisios)
empuja los
vientos del oeste
y no los deja
pasar al norte
Vientos del Oeste o
westerlies
Garreaud 2009
Zona de convergencia intertropical y su efecto en las lluvias
del norte
Las lluvias del altiplano vienen del
subtrópico (vientos alisios)
cargados de humedad, mientras
que hacia la zona de Copiapó al
sur, las lluvias (en verano), son
producto de los Vientos del Oeste
(modificado de
Houston & Hartley 2003)
(Vuille & Keimig 2004, en Placzek et al 2009)
Diagonal árida
El anticiclón evita la
entrada de vientos del
oeste que traen agua
En el sur, estos llegan
y al chocar con la
cordillera de los Andes
descargan el agua y
pasan secos a
Argentina
Cuando el anticiclón se
desplaza hacia el
norte (invierno) deja
subir esos vientos que
están cargados de
agua y tenemos lluvia
en la zona centro norte
y sur de Chile
Los Vientos
Huracanes/Tifones/Ciclones
• Huracanes: Sobre el Atlántico y Pacífico este
• Tifones: Sobre el extremo del Pacífico oeste
• Ciclones: Océano Indico y Australia.
Sistema de tormentas caracterizado por una circulación cerrada
alrededor de un centro de baja presión y que produce fuertes
vientos y mucha lluvia. Se forman sobre superficies cálidas y
extraen su energía de la condensación de aire húmedo (calor
latente).
Gradientes horizontales extremas:
huracanes
50 mb menos
que el exterior
del huracán a
solo 300 km
En otras palabras….los
cambios en la gradiente
horizontal de presiones
en un huracán pueden
ser de 1mb cada 6 km.
•
•
•
•
El ciclón (centro de baja presión) sobre aguas oceánicas que tengan por lo menos 26.5 °C. Los
huracanes obtienen su energía del agua caliente de los trópicos y del calor latente de la
condensación (esto libera energía)
El aire caliente asciende enfriándose por la atmósfera (que disminuye su temperatura con la
altitud y además por liberación del calor latente)
El ciclón no se formará a menos de 500 kilómetros del ecuador debido a que la fuerza coriolis
es demasiado débil (necesita girar con velocidad).
Debe estar presente un área de alta presión en la atmósfera superior por encima de la
tormenta en formación. En tales áreas de alta presión, el aire sopla hacia afuera. Esto empuja
el aire que se eleva en la tormenta, lo que provoca que todavía más aire se eleve desde
niveles inferiores.
Tornados o remolinos
Un tornado es una violenta, y destructiva columna rotativa de aire en
movimiento la en contacto tanto con la superficie de la tierra y una
nube de cumulonimbos
Las velocidades del viento van de 64 km/h a 177 km/h, midiendo
aprox. 75 m . Se desplazan durante varios kilómetros antes de
disiparse.
Algunos extremos alcanzan 480 km/h y permanecen en tierra durante
más de 100 kilómetros.
Elementos: tiempo inestable, centro de baja presión, masa de aire frío
y seco con tendencia descender y otra cálida y húmeda que asciende.
El choque térmico de los dos frentes origina una poderosa tormenta y
con ella una visible nube espesa de desarrollo vertical llamada
cumulonimbo hasta el suelo formando el tornado.
Supercell
Algunos vientos locales
Brisa marina y terrestre
• Se genera por el calentamiento dispar de la
superficie terrestre y la superficie del mar.
• El continente se calienta más rápido que el mar.
• Cerca del mediodía: se genera baja presión en
el continente y alta en el mar lo que hace fluir el
viento del mar al continente. Viento travesía
• Cerca del amanecer: continente se enfría más
rápido y se origina un centro del alta presión
generando que el viento sople en dirección al
mar. Brisa terrestre
• Tienen curso diario
Puelche o Puihua
• Viento cálido originado en la zona patagónica de
Argentina (Pampero).
• Al cruzar la cordillera se eleva y enfría y comienza a
descender por la cordillera de los Andes a Chile
produciéndose una gran compresión lo que libera
energía.
• Esta energía se traduce en aumento de temperatura
por sobre la media normal.
• Es un viento muy secante!!! (apoyo riego cultivos).
• Tiene equivalentes en otras partes montañosas del
mundo. Mistral y Levante en España, Föhn en Suiza
y sur de Alemania, Chinook en Alaska y Northern en
Estados Unidos; Bura en Rusia, etc.
Vientos
de valle
y de
montaña
También tienen curso diario
Mediciones del viento
• Velocidad y dirección del
viento son aspectos que
TODA estación
metereológica puede
medir.
• Para esto se usa una
veleta (dirección) y un
anemómetro (velocidad)
Velocidad promedio, ráfaga, dirección
Dirección del viento
La rosa de los
vientos nos
muestra los
grados de
desviación del
norte
representando
el norte como
0° o 360°
Velocidad del Viento
Los anemómetros
poseen una especie
de bolas abiertas
unidas a un eje que
da vueltas y esto
genera corriente.
La potencia de la
corriente es
proporcional a la
velocidad del viento
la cual es ploteada
en un grafico o bien
guardada
electrónicamente en
un computador.
• Aerovanes miden la
velocidad y la
dirección del viento
en el mismo
instrumento.