Tema 1.- " Estratificación Atmosférica".

Estratificación Atmosférica.
Física Ambiental. Tema 1.
Tema 1. FA (Prof. RAMOS)
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Tema 1.- " Estratificación Atmosférica".
• El aire: aproximación al gas ideal.
• Capas atmosféricas.
• Distribución de la presión con la altura:
hipótesis hidrostática.
• Estratificación isoterma.
• Estratificación adiabática: perfil de presiones y
temperaturas.
• Atmósfera neutra.
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El aire: aproximación al gas ideal.
• Composición del aire (Standard) de la atmósfera.
Nitrógeno
78.09%
Oxígeno
20.95%
Argón (otros
gases nobles)
0.93%
(0.001%)
0.03%
Dióxido de
carbono
• Según el reglamento técnico de la OMM, para el aire seco (% en fracción
molar).
• Presión atmosférica normal del aire a nivel del mar:
– Patm = 101325 Pa = 1 atm.
• El comportamiento del aire se puede considerar como Gas
Ideal:
P P
PV = nRT
ρ=
m
R T
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Capas Atmosféricas.
Clasificadas en función del comportamiento del gradiente térmico vertical.
Capa
Situación(K m)
BIOSFERA
0-1
TROPOSFERA
0-10
TROPOPAUSA
10-20
ESTRATOSFERA
20-40
Características
Intercambios de energía,
ciclos vida.
dT/dz<0 (estratificación
adiabática)
dT/dz=0 (estratificación
isoterma)
dT/dz>0
ESTRATOPAUSA
40-50
dT/dz=0
M ESOSFERA
50-80
dT/dz<0
M ESOPAUSA
80-90
dT/dz=0
TERM OSFERA
90-100
dT/dz>0
*A partir de 100 Km de altura hay otras capas de importancia como la Ionosfera que no
aparecen en este cuadro.
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Distribución vertical de presión y temperatura
en la atmósfera.
Perfil vertical de temperaturas.
Perfil vertical de presiones.
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Distribución de la presión con la altura:
hipótesis hidrostática.
•
El aire atmosférico se comporta como un gas ideal, muy compresible, por ello su
densidad variará fuertemente con la altura:
ρ=
•
Pm P
R T
⇒
ρ ≠ cte
Partimos de la ecuación de Euler (hipótesis hidrostática), pero hay que definir:
– Modelo termodinámico de la zona de estudio.
• Estratificación Isoterma.
• Estratificación adiabática.
– Integrar la ecuación de Euler para esa zona.
dP
= − ρg
dz
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Estratificación Isoterma.
• Aplicable a las capas cuyo gradiente vertical de temperaturas es nulo,
temperatura constante a lo largo de la zona.
• Tropopausa: entre 10 y 20 km de altura.
• Estratopausa: entre 40 y 50 km de altura.
Trayectoria isoterma de un gas ideal.
Ecuación de Euler.
dz = −
dP
ρg
ρ ( P) =
Pm
P; T = cte
RT
Ecuación diferencial de distribución de presiones con la altura,z.
dz = −
Integrando:
RT dP
dP
Pg
⇒
= − m dz
Pm g P
P
RT
Pm g
dP
=
−
∫P0 P
RT
P
Problema 1. Hoja FA1.
∫
z
z0
dz ⇒ P ( z ) = P0 e
−
Pm g
∆z
RT
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Estratificación Adiabática: perfil de presiones.
La estratificación térmica en la troposfera alcanza el equilibrio mecánico en
condiciones adiabáticas (atmósfera neutra). Debido a los siguientes factores:
-Intenso intercambio de energía entre el suelo y la atmósfera.
-Hipótesis de la burbuja adiabática.
Ecuación de Euler (hip. Hidrostática)
dP =
Trayectoria adiabática. Gas ideal (burbuja adiabática)
1
− ρgdz ρ = nPm
V
⇓
dP = −
nPm
gdz
V
Por integración:
 P γ
PV = P0V0 ⇒ V =  0  V0
P
γ
γ
⇒
dP
P
1
γ
=−
nPm g
dz
P01 γ V0

 1 − γ  nPm g 
 1 γ ∆z 
P( z ) =  P0γ −1 γ + 
 γ  P0 V0 

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γ
γ −1
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Estratificación Adiabática: perfil de
temperaturas.
•
Hipótesis adiabática:
P1−γ T γ = cte ⇒ P1−γ T γ (1 − γ )
⇓
dP
dT
+ P1−γ T γ γ
=0
P
T
Hipótesis hidrostática:
dP
Pg
= − m dz
⇓
P
RT
 dT   1 − γ  Pm g


 = 
 dz  S  γ  R
dP
− γ dT
=
P (1 − γ ) T
Lapso adiabático para el aire seco:
Problema 2. Hoja FA1.
 dT 
 = −9.8º C / km

 dz  S
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Atmósfera Neutra.
•
•
Aunque la estratificación térmica perfectamente adiabática es la que representa el lapso
adiabático (atmósfera neutra). La troposfera es muy dinámica y los intensos cambios
energéticos que se realizan en la superficie de la litosfera o hidrosfera, provocan
variaciones horarias de los perfiles de distribución térmica en la troposfera.
Se caracterizan los siguientes, relativos al estado de atmósfera neutra o adiabática:
– Superadiabática:
• Menor gradiente (negativo) que el estado neutro.
– Subadiabáticas:
• Mayor gradiente (negativo) que el estado neutro.
– Isotermas:
• Gradiente nulo.
– Inversión:
• Gradiente positivo.
Problema 3 y 4. Hoja FA1.
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