TEMA 2. LA ATMÓSFERA. INTRODUCCIÓN. La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea la Tierra y uno de sus subsistemas. Presenta una estructura en capas característica, en función de su variación de temperatura en la vertical. En la más cercana a la superficie terrestre, la troposfera, se desarrollan la mayor parte de los fenómenos meteorológicos que conocemos. La atmósfera inicial o protoatmósfera era una atmósfera reductora, que estaba compuesta fundamentalmente por N2, CO2, H2 y CH4. Sin embargo, la aparición de la vida y debido al proceso de la fotosíntesis, las concentraciones de O2 y O3 se fueron incrementando cada vez más, hasta que la atmósfera pasó de ser reductora a ser oxidante hace aproximadamente 2500 millones de años. Esto hizo posible que pudieran evolucionar formas de vida más complejas e hizo de la Tierra un planeta habitable. Por otro lado, hay que comentar que la atmósfera es dinámica, existiendo un desplazamiento global de las masas de aire (debido al calentamiento desigual de la superficie terrestre por los rayos del Sol). Esta dinámica es fundamental para el re-establecimiento del equilibrio térmico del planeta y para la interacción de la atmósfera con los otros subsistemas. Por último, comentar que en los últimos años se ha incrementado de forma preocupante los niveles de contaminantes en la atmósfera, como consecuencia fundamentalmente del desarrollo industrial y actividades humanas, lo que ha obligado a tomar una serie de medidas a escala local, regional y global con la finalidad de recuperar la calidad de aire perdida. PRINCIPALES FUNCIONES DE LA ATMÓSFERA. Las funciones principales de la atmósfera son: Aportar determinados compuestos que son imprescindibles para el desarrollo de la vida y para la obtención de energía de algunos seres vivos. Proteger al planeta de las agresiones del espacio exterior Es esencial para que se cierre el Ciclo Hidrológico del planeta y para mantener el equilibrio térmico del planeta. 1 LA COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA. Fueron Lavoisier y Scheele quienes, en 1774, demostraron que el aire no era un elemento simple, sino una mezcla de una quinta parte en volumen de oxígeno (O2) y cuartas quintas partes de nitrógeno (N2). Actualmente se sabe que la composición química de la atmósfera no es homogénea, diferenciándose dos capas: CAPA ALTITUD SUBCAPA CARACTERÍSTICAS GENERALES Capa Homogénea HETEROSFERA HOMOSFERA Composición química: 90 Km Hasta 200 Km Capa de N2 Hasta 1000 Km Capa de atómico Hasta 3500 Km Capa de He Hasta Km Capa de H2 10.000 Elementos mayoritarios: N2 (72%), O2 (23%), Ar (1,2%), Vapor de H2O (0-2,5%) y CO2 (0,035%). Elementos traza: Ne, He, CH4, O3, etc. Compuesto mayoritariamente por N2 O Compuesto mayoritariamente por O atómico Compuesto mayoritariamente por He Compuesto mayoritariamente por H2 Tabla 1. Porcentajes de la concentración de los gases en la atmósfera. LA ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA. La división de la atmósfera se realiza en función de los cambios de temperatura que presenta en su zonación vertical. Se distinguen cinco capas: troposfera, estratosfera, mesosfera, ionosfera o termosfera y exosfera. 2 CAPA ALTITUD CARACTERÍSTICAS GENERALES TROPOSFERA Capa en contacto con la superficie terrestre. Su temperatura disminuye con la altitud, con un gradiente de -0,67 ºC cada 100 m de altitud, pudiendo alcanzar los -70 ºC en las zonas más altas. 10-18 km Contiene el 80% de los gases atmosféricos (principalmente N2, O2, Ar, H2O y CO2). Existen flujos de aire verticales y horizontales. Tiene lugar los fenómenos meteorológicos. Su límite superior se llama Tropopausa. Su temperatura aumenta con la altitud, pudiendo alcanzar temperaturas de 10-20 ºC. ESTRATOSFERA No existen flujos de aire. Hasta 50 km Presencia de la Capa de Ozono (Ozonosfera): Entre 15-30 km de altura. La Ozonosfera actúa de filtro protector ya que absorbe la radiación ultravioleta, que es muy perjudicial para el desarrollo de la vida animal y vegetal. El grosor de la Capa de Ozono es variable y depende de: la latitud, de la estación del año e incluso se han observado variaciones diarias El límite superior Estratopausa. MESOSFERA Hasta 80 km de la estratosfera se llama Disminuye la temperatura con la altitud, pudiendo llegar a -140 ºC. Su límite superior se llama Mesopausa. Los gases están ionizados debido a la radiación ultravioleta TERMOSFERA O IONOSFERA Hasta 800 Km La temperatura aumenta con la altura, pudiendo alcanzar los 1000 ºC, ya que los gases ionizados absorben la radiación UV. El límite superior se denomina Termopausa. EXOSFERA Hasta 10.000 km Por encima de la Termopausa hasta una altura aproximada de 10.000 km, en donde la atmósfera ya es tan tenue que se confunde con el espacio exterior. 3 Figura 1. Esquema de la estructura básica de la atmósfera, con sus capas y las altitudes a las que se encuentran. La estructura física y composición química de la atmósfera ha dado lugar a unas condiciones térmicas especiales que permiten la vida en la Tierra. Estas condiciones se deben al efecto invernadero que tiene lugar en los primeros 12 km de la atmósfera por la presencia de gases de efecto invernadero (GEI´s). Estos gases permiten que la temperatura media de la superficie sea de unos 15ºC (otras fuentes hablan de 13 ºC). EL BALANCE DE LA RADIACIÓN SOLAR. La atmósfera terrestre retiene y regula la cantidad de radiación solar que recibe la superficie de la Tierra. Esta acción protectora permite que se mantengan en el planeta unas temperaturas suaves adecuadas al desarrollo de las formas de vida que conocemos. Además, no toda la radiación que procede del Sol es absorbida por la Tierra, ya que un 30% se refleja. Las nubes, el polvo atmosférico, las moléculas de los gases, el hielo y la nieve, e, incluso, el mismo suelo cuando está desprotegido de la vegetación, reflejan la luz solar. Esta energía reflejada se denomina albedo. Un incremento de cualquiera de esos factores que reflejan la luz solar produciría un enfriamiento de la atmósfera. La radiación que llega a la superficie de la Tierra la calienta, y este calor es irradiado en forma de radiación infrarroja. Esta radiación es absorbida por la atmósfera, especialmente por el H2O y el CO2, lo que provoca un aumento de la temperatura. Las nubes reflejan parte de esta energía, devolviéndola de nuevo a la superficie terrestre (Efecto Invernadero). Todo ello hace que la temperatura media de la atmósfera sea de unos 13-15 ºC. 4 Figura 2. Balance de la radiación en el sistema climático terrestre. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no toda la Tierra recibe la misma cantidad de radiación y por lo tanto no se calienta por igual. Así: El ecuador se calienta más que los polos, debido a la incidencia perpendicular de la radiación en el ecuador y muy oblicua en los polos. Las zonas de menor altitud se calientan más debido a que reciben mayor cantidad de radiación. Debido a este calentamiento desigual, se establece un mecanismo para la redistribución de este calor y por lo tanto re-establecer el equilibrio térmico. Este mecanismo es la circulación atmosférica. De tal forma que, el aire más caliente y húmedo del ecuador (debido a la incidencia perpendicular de los rayos solares), se eleva y circula hacia los polos por capas altas de la troposfera; al mismo tiempo que masas de aire frías y más densas, circulan por capas bajas (por superficie) desde los polos hacia el ecuador. Sin embargo, la rotación del planeta hace que esta circulación sea mucho más compleja, debido al Efecto Coriolis, produciéndose varias circulaciones parciales para restablecer el equilibrio térmico global del planeta. Estas circulaciones parciales son: La Célula de Hadley (que es la más energética de las tres por la incidencia perpendicular de los rayos solares); Célula Polar (entre los 60º y 90º de latitud) y Célula de Ferrel (situada entre las dos anteriores). 5 Figura 3. Circulación general de la atmósfera. LA DINÁMICA ATMOSFÉRICA La atmósfera no es un fluido estático, sino que presenta una dinámica vertical y horizontal que produce una serie de corrientes y fenómenos atmosféricos, los cuales son fundamentales para: La conservación y desarrollo de la vida en el planeta La distribución de los climas en la Tierra La dispersión de los contaminantes. Dinámica Vertical. Los movimientos verticales se llaman movimientos de convección y se deben a variaciones de temperatura, humedad o presión atmosférica. Distinguimos: Convección Térmica. Son originados por contraste de temperatura. El aire, en contacto con la superficie, más caliente y menos denso tiende a elevarse formando corrientes térmicas ascendentes, y el aire superior más frío y denso tiende a descender. Convección por Humedad. Se origina por presencia de vapor de agua en el aire, lo que hace que el aire húmedo sea menos denso que el aire seco, de tal forma que el aire húmedo asciende y el seco desciende. 6 La cantidad de vapor de agua presente en la atmósfera se puede medir de dos maneras: humedad absoluta o humedad relativa. Humedad absoluta: Es la cantidad de vapor de agua que hay en un volumen determinado de aire y se expresa en g/m 3. Esta cantidad no es un dato significativo, porque la cantidad de vapor de agua que cabe en el aire depende de la temperatura. El aire frío puede contener muy poca humedad, mientras que el aire caliente puede admitir mucha. Es por ello que se establece el parámetro de humedad relativa. Humedad relativa: Es la cantidad en tanto por ciento de vapor de agua que hay en 1 m3 de aire en relación con la máxima que podría contener a la temperatura en la que se encuentra. Por ejemplo, si decimos que la humedad relativa es del 25%, lo que queremos expresar es que a esa determinada temperatura el aire sólo contiene ¼ del vapor de agua que podría contener. Cuando la humedad relativa llega al 100% entonces se alcanza lo que se denomina punto de rocío. El punto de rocío es la temperatura en la que el vapor de agua comienza a condensarse y a hacerse visible (formación de nubes). A la altura donde se forman las nubes se conoce como nivel de condensación. Convección debida a la Presión Atmosférica. Estos movimientos pueden ser anticiclones o borrascas (también llamados ciclones). Hay un anticiclón cuando nos encontramos en una zona de alta presión, y por tanto, una masa de aire frío desciende en la vertical hasta contactar con el suelo. En la zona de contacto se acumula mucho aire y el viento tiende a salir desde el interior hacia el exterior (con giro horario en el hemisferio norte). En cambio, hay una borrasca cuando existen bajas presiones y una masa de aire poco denso (cálido y/o húmedo) asciende desde el suelo hasta determinada altura creando un vacío en la zona que está en contacto con el suelo. Es cuando el aire frío de los alrededores se mueve originando un viento que sopla desde el exterior hasta el centro de la borrasca (con giro antihorario en el H.N.). Figura 4. a) Borrasca; b) Anticiclón. 7 Gradientes Verticales. Se llama gradiente vertical a la diferencia de la temperatura entre dos puntos situados a una diferencia de altitud de 100 metros. A continuación se exponen los diferentes tipos de gradientes verticales: Gradiente vertical de temperatura (GVT). Representa la variación vertical en la temperatura del aire en condiciones estáticas o de reposo que suele ser de 0,65ºC/100m (por cada 100 metros de ascenso en la troposfera la temperatura disminuye 0,65ºC; esta sería la cantidad que habría que ir restando a medida que se va ascendiendo). El valor de GVT es muy variable y depende de factores como: altitud, latitud, estación del año, etc. Inversión térmica: Es una situación (espacio aéreo) en el cual la temperatura aumenta con la altura en vez de disminuir (los valores de GVT son negativos). Las inversiones térmicas impiden los movimientos verticales del aire (la tropopausa representa una inversión térmica permanente). Existen también inversiones térmicas ocasionales, como las de invierno, en las que el suelo enfría a la atmósfera inmediata resultando ésta más fría que la superior. Gradiente adiabático seco (GAS). El valor de este gradiente es constante y es de 1ºC/100m, denominándose “seco” por llevar el agua en forma de vapor. Este gradiente, a diferencia del GVT, es dinámico, ya que afecta a una masa de aire que se encuentra realizando un movimiento vertical por estar de desequilibrio (diferente temperatura y/o cantidad de vapor de agua) con el aire que le rodea. Por ello, se ve obligado a ascender (o en algunos casos descender) hasta alcanzar el equilibrio (el valor de GAS y GVT se igualan). En el momento en el que la temperatura de ambas masas de aire (GAS y GVT) se igualan, entonces el movimiento vertical cesa. Gradiente adiabático húmedo (GAH). En el momento en el que la masa ascendente de la que hablamos en el gradiente adiabático seco alcanza el punto de rocío, se condensa el vapor de agua que contenía y se forma una nube. En la condensación se libera calor latente que permitió su evaporación, por lo que el GAH toma valores inferiores al GAS (1ºC/100m). Los valores que toma el GAH se encuentran entre 0,30,6ºC/100m. En las zonas tropicales los valores de GAH se aproximan a 0,3ºC mientras que a medida que avanzamos a latitudes más altas, el valor de GAH se va aproximando cada vez más a 0,6ºC. Esta es la razón por la que las nubes en las zonas ecuatoriales y tropicales alcanzan mucha altura, pudiendo llegar incluso a la tropopausa; mientras que en latitudes medias (valores más próximos a 0,6ºC) las nubes se formarán a menor altura, sobre todo en invierno. 8 Condiciones de estabilidad o inestabilidad atmosférica en función de los gradientes verticales. En función de los valores de GVT y GAS se puede determinar qué tipo de movimientos se producen en la vertical: movimientos ascendentes o descendentes. Si GVT > GAS, se produce un ascenso de las masas de aire, generándose una situación de inestabilidad atmosférica que darán lugar a borrascas. Las condiciones de inestabilidad atmosférica son propicias para la eliminación de la contaminación, ya que el aire ascendente provoca la elevación y dispersión de la misma. Figura 5. a) Representación gráfica de la inestabilidad atmosférica; b) Mapa del tiempo correspondiente a dicha inestabilidad y formación de un viento convergente. Si GVT>0 y GVT<GAS, se produce un descenso de las masas de aire, generándose una situación de estabilidad atmosférica o subsidencia, que dan lugar a una situación anticiclónica. Si GVT < 0 se da una situación de inversión térmica, situación anómala donde la temperatura se incrementa con la altitud. Figura 6. Condiciones de estabilidad atmosférica. En c) por encima de “P” se detiene la ascensión. 9 Figura 7. Otro ejemplo de Inversión Térmica. INFORMACIÓN SOBRE LOS MAPAS METEOROLÓGICOS. La presión atmosférica media al nivel del mar en condiciones normales es de 1013,3 milibares (1 atm). En las representaciones gráficas se unen los puntos de igual presión atmosférica con unas líneas denominadas isobaras. Si las observamos, podemos localizar las zonas de anticiclón o estabilidad atmosférica, y las de borrasca o inestabilidad. Así: Si las isobaras aumentan su valor desde el centro (núcleo) hacia el exterior, entonces nos encontramos ante una situación de borrasca. Si las isobaras disminuyen su valor desde el centro (núcleo) hacia el exterior, entonces nos encontramos ante una situación anticiclónica. Además, en los mapas meteorológicos se puede utilizar otro tipo de simbología para indicar si la situación es anticiclónica o de borrasca. Así: Figura 8: Simbología utilizada en los mapas meteorológicos. Mapa meteorológico. 10 Dinámica Horizontal. Cuando existen dos puntos a diferente presión atmosférica, las masas de aire tenderán a desplazarse desde las zonas de altas presiones (anticiclones) hacia las zonas de bajas presiones (borrascas), generándose corrientes superficiales y horizontales. Este aire en movimiento es el viento. Estos vientos superficiales no son rectilíneos sino que se mueven en espiral a causa de la Fuerza de Coriolis. Por otro lado, también se pueden generar corrientes horizontales debido a contrastes de temperatura. Esto es lo que ocurre en zonas costeras, y las corrientes se denominan brisas marinas, de tal forma que, durante el día existe un desplazamiento de las masas de aire tierra adentro, y durante la noche el desplazamiento es mar adentro. Figura 9. Brisas marinas: a) Día; b) Noche. Circulación General de la Atmósfera. Los movimientos de las masas de aire se deben al calentamiento desigual de la superficie terrestre debido a las distintas inclinaciones con las que inciden los rayos solares en la superficie. Así, en el Ecuador se recibe mayor cantidad de energía por unidad de superficie que en los Polos. Se establece así un desplazamiento del aire caliente desde el Ecuador a los Polos, por las zonas altas de la atmósfera, y una corriente de aire frío desde los Polos al Ecuador, por las capas bajas. Se produce de esta manera la Circulación General de la Atmósfera que permite restablecer el equilibrio térmico de la Tierra. Sin embargo, la Fuerza de Coriolis (La Fuerza de Coriolis fue explicada por Coriolis en 1835, y es consecuencia del movimiento de rotación de la Tierra y de su sentido antihorario) va a producir la desviación de los vientos hacia la derecha en el H.N y hacia la izquierda en el H.S, provocando que el transporte de masas de aire se lleve a cabo en 3 células: 11 Figura 10. Circulación General de la Atmósfera. Células y Vientos. Célula de Hadley: Es la más energética de las tres por la incidencia perpendicular de los rayos solares. Se produce una elevación del aire cálido (Borrascas Ecuatoriales) que se dirige hacia ambos polos, hasta aproximadamente los 30º de latitud, donde las masas de aire descienden, generándose los Anticiclones Subtropicales (Ejemplo: Anticiclón de las Azores, que afecta a nuestro país). Cuando los anticiclones subtropicales se asientan sobre un continente van a originar los mayores desiertos del planeta. Ejemplo: Desierto del Sahara. La célula se cierra con los Vientos Alisios, vientos en superficie que se dirigen hacia el ecuador. En el ecuador convergen los Vientos Alisios de ambos hemisferios, originándose la ZCIT= Zona de Convergencia Intertropical. Célula Polar: Parte de los Anticiclones Polares, con vientos en superficie, Vientos Levante Polar, hasta aproximadamente 60º de latitud, donde las masas de aire ascienden, formando las Borrascas Subpolares (Frente Polar). Las masas de aire en altitud se desplazan hacia los Polos. El Frente Polar afecta a nuestro país en determinadas épocas del año, sobre todo en invierno cuando desciente hasta los 40º-30º de latitud. Célula de Ferrel: Está situada entre las dos anteriores y se forma por la acción de los vientos del Oeste ó Westelies (superficiales) que soplan desde los anticiclones desérticos hasta las zonas de las borrascas subpolares, donde se elevan, desplazándose a continuación hacia los anticiclones subtropicales por zonas altas. 12 Es muy importante tener en cuenta que, tanto la ZCIT, como todos los cinturones de borrascas y anticiclones representados, no son estáticos, sino que varían su posición a lo largo del año. Así, en el Hemisferio Norte durante el verano, todos ellos se desplazan hacia el polo norte, y en el invierno se desplazan hacia el polo sur. Por otro lado, debido al efecto Coriolis, las masas de aire que se encuentran a la altura de la tropopausa en latitudes próximas a los polos, alcanzan unas velocidades altísimas formando un anillo de fuertes vientos. Esta corriente de aire queda situada entre la tropopausa tropical, que está más elevada, y la tropopausa polar, que está a menor altura; a esta corriente se le conoce como corriente de chorro o chorro polar. El frente polar está formado por una serie de frentes, cálidos, fríos y ocluidos, que rodean la Tierra como si fueran un frente único y, como cualquier otro frente, es una zona imaginaria que separa dos masas de aire de distinta temperatura: fría al norte y cálida al sur. Es en el frente polar donde convergen los Vientos del Levante Polar y los Vientos del Oeste. 13 El clima de latitudes medias (correspondiente a nuestro país), va a depender de la latitud ocupada por las borrascas subpolares y los anticiclones subtropicales, lo que depende a su vez de la posición que ocupen el chorro y el frente polar. El vórtice circumpolar es un conjunto de borrascas ondulatorias que, en conjunto, constituyen el frente polar. En función de la latitud sobre la que se asienta dicho vórtice, índice zonal, nos podemos encontrar las siguientes situaciones: Anticiclones de bloqueo: En algunas ocasiones, la dilatación de los meandros (Situación C) permanece sin que se rompan los meandros, y se originan los anticiclones de bloqueo. Se llaman así porque permanecen inmóviles durante días y días y porque, como cualquier otro anticiclón, impide la entrada de las lluvias originando intensas sequías en los lugares que se asientan. Además, desvían las borrascas hacia otras regiones donde producen precipitaciones torrenciales e inundaciones. 14 EL CLIMA Y SU DISTRIBUCIÓN. La atmósfera presenta en cada momento unas condiciones de presión atmosférica, temperatura, humedad, precipitaciones, viento, etc. a cuyo conjunto se denomina tiempo atmosférico, el cual se manifiesta por los fenómenos meteorológicos. El clima está definido por las condiciones atmosféricas que caracterizan a una región. Para definir el clima de un lugar hay que tener en cuenta los valores medios del tiempo atmosférico recogidos durante un largo periodo de tiempo (varios años). El clima es un fenómeno en el que intervienen factores como: altitud, latitud, orografía, incidencia de los vientos, continentalidad, etc. Su estudio es por tanto bastante complejo. Por lo tanto, para simplificar se asume que los principales factores que afectan a la climatología son: Temperatura. Que depende al mismo tiempo de: latitud, altitud y continentalidad. Precipitaciones. Pueden ser: convectivas, orográficas o frontales. Presión Atmosférica. Que puede generar condiciones anticiclónicas o ciclónicas (borrascas). El primero en clasificar los climas, teniendo únicamente en cuenta precipitaciones y temperaturas fue Köppen en 1918. Las clasificaciones de los climas son muy subjetivas. El estudio del clima resulta de gran importancia porque de él dependen en gran medida la mayor parte de las actividades humanas. Para representar el clima de un determinado lugar se realizan representaciones gráficas llamadas climogramas (que toman como referencia valores medios de temperatura y precipitación). Los climogramas nos aportan información como: temperatura media en ese clima, la oscilación térmica anual, períodos de aridez (curva de la temperatura muy por encima de las precipitaciones) o la distribución de las precipitaciones a lo largo del año. Figura 11: Climograma de clima mediterráneo con degradación continental. 15 Este climograma muestra un clima con un alto contraste térmico anual, con temperaturas muy altas en el verano y muy bajas en el invierno. Además se puede observar que las precipitaciones se mantienen estables a lo largo de todo el año excepto en los meses de verano que aparece un periodo de seca. Los principales climas en la Tierra. Tipos de precipitaciones. La ascensión del aire se puede producir de varias maneras que condicionan distintos tipos de precipitaciones. Precipitación por convección. En lugares de gran calentamiento del suelo, como las zonas ecuatoriales, el aire que está en contacto con el suelo se calienta y asciende verticalmente. Con la altura, baja el punto de saturación, por lo que parte del vapor se condensa formando nubes (nubes grandes de desarrollo vertical conocidas como cumulonimbo). Esta condensación forma gotas de agua, que van adquiriendo cada vez un tamaño mayor, hasta que finalmente cae en forma de precipitación. 16 (En ocasiones las temperaturas en las zonas altas del cumulonimbo son tan bajas que el agua se solidifica pudiendo ser las precipitaciones en forma de granizo). El calor también es la causa de la formación de las nubes de componente vertical responsables de las tormentas de verano en latitudes medias. Figura 12: Precipitación por convección. Precipitación por ascenso orográfico. Cuando una masa de aire húmedo que se desplaza en horizontal por la superficie de la Tierra se encuentra con una elevación montañosa, se verá obligada a ascender. De esta forma, puede alcanzar su punto de saturación al encontrarse con menores temperaturas a mayor altura, y formar nubes, que, al estar en contacto con la ladera, descargan su agua dando lugar a un fenómeno conocido como precipitación horizontal. Estas nubes, con formas horizontales y formadas a poca altura se conocen como estratos. Como las precipitaciones se producen en un lado de la montaña a medida que asciende por la ladera, la masa de aire al llegar a la cima perderá la práctica totalidad de la humedad que transportaba y descenderá por el otro lado como un viento cálido y seco, produciendo un efecto contrario: secando el terreno. Por eso, las montañas influidas por este tipo de precipitaciones adoptan presentar un lado verde y rico en vegetación y el contrario ligeramente desertizado, efecto que se conoce como Efecto Foehn o sombra de lluvias. Ejemplo: Picos de Europa con una costa cantábrica muy verde y al otro lado con una zona más seca (meseta leonesa). Figura 13. Efecto Foehn. 17 Precipitación frontal. Es habitual en los boletines meteorológicos la frase siguiente: “Un frente se acerca a la Península; penetrará por Galicia y posteriormente se desplazará hacia el este dejando lluvias…” Un frente es una zona de contacto entre dos masas de aire, una caliente y otra fría. Las dos masas de aire se comportan como sistemas aislados, por lo que no se mezclan sino que chocan; en la zona de contacto entre ellas, es decir, en el frente, debido a las diferencias de temperatura se forman lluvias o vientos. Los frentes dan lugar a un tipo de borrascas frontales (móviles) generadoras de lluvias. Existen tres tipos de frentes: fríos, cálidos y ocluidos. Frente frío. Cuando una masa de aire frío se desplaza hasta encontrarse con una de aire cálido. La primera, en movimiento y más densa, se introduce por debajo de la segunda que, como consecuencia de este empuje, asciende. Así, el aire caliente y húmedo se condensa formando cumulonimbos y causa precipitaciones de gran intensidad. Frente cálido. Cuando una masa de aire cálido se desplaza hasta encontrarse con una de aire frío. La primera, en movimiento y menos densa, asciende por encima de la segunda de una manera menos brusca que en el caso anterior, de modo que la condensación del vapor de agua se produce de un modo más paulatino. Esto origina nubes horizontales que conocemos como nimboestratos (formadas a menor altura) o altoestratos (formadas en zonas intermedias). Estas nubes adoptan producir lluvias o nieve (dependiendo de la temperatura) de larga duración aunque de poca intensidad. En la zona superior se forman unas nubes alargadas que forman grupos y que se conocen como cirros, que pueden indicar bonanza en caso de permanecer quietas y disgregadas; o bien indican una inminente llegada de un frente si se encuentran en movimiento y su número aumenta. 18 Frente ocluido. Aparecen por la superposición de dos frentes diferentes, uno frío y otro cálido. Uno de ellos, generalmente el cálido, acaba por perder el contacto con el suelo (oclusión), dejando al otro, generalmente el frío, en contacto con la superficie. Como es lógico pensar, la oclusión de frentes da lugar a precipitaciones de los dos tipos. El clima en España. La Península Ibérica está situada aproximadamente entre los 35º y los 45º de latitud norte, en la zona templada, y presenta varios tipos de clima en función de la zona de la geografía peninsular que estudiemos. En España distinguimos varias zonas climáticas, según la circulación de la atmósfera y precipitaciones: El clima oceánico se da principalmente en Galicia y en la cornisa cantábrica. Las temperaturas son suaves, y las precipitaciones, que superan los 800 mm anuales, son más abundantes en invierno, aunque están repartidas a lo largo del año. 19 El clima mediterráneo abarca la mayor parte de la península. Las precipitaciones son irregulares e inferiores a 800 mm anuales y las temperaturas son variables. El clima mediterráneo típico, con veranos cálidos e inviernos suaves, abarca las costas mediterráneas y suratlántica, las islas Baleares, y las ciudades autónomas de Ceuta y Melilla. En las zonas interiores, apartadas de la influencia marina, se trata de un clima mediterráneo continentalizado, con contrastres térmicos más acusados. En el sureste peninsular y en la zona media del valle del Ebro se un clima mediterráneo subdesértico, que es un clima de transición entre el mediterráneo típico y el clima desértico. El clima de montaña se da en zonas con altitudes superiores a 1000 metros. Las islas Canarias, localizadas en el límite entre la zona templada y la subtropical, reciben influencias meteorológicas y climatológicas de ambas zonas. La influencia del desierto del Sahara y de los vientos alisios origina un clima subtropical desértico con temperaturas suaves y precipitaciones muy escasas en las zonas más bajas. En las zonas altas, las temperaturas disminuyen y las precipitaciones aumentan debido a la humedad procedente del Atlántico que reciben de los vientos alisios. Figura 14: Principales zonas climáticas en España. 20 Fenómenos meteorológicos habituales en España. La gota fría. Es una situación frecuente en España, sobre todo a finales de verano y comienzos de otoño. Su origen no tiene que ver con los frentes, sino que se trata de la entrada de aire frio situado a cierta altura; al encontrarse de repente rodeado de un aire más cálido y menos denso, va a tender a descender en espiral hasta alcanzar la superficie. A la vez se originará una borrasca por el ascenso convectivo del aire cálido y húmedo, y se formará una nube de rápido desarrollo vertical, que dará lugar a fuertes aguaceros y nevadas. Esto ocurre cuando la masa ascendente contiene mucha humedad, como ocurre a finales de verano, ya que al enfriarse el mar más despacio que la tierra, la evaporación en el Mediterráneo todavía persiste. Figura 15: Proceso de formación de la gota fría. Los tornados. Son una especie de columna giratoria de viento y polvo de unos 50 metros de anchura, que se extiende desde el suelo hasta la base de un cumulonimbo. Se forma por un remolino que resulta de un calentamiento excesivo de la superficie terrestre. El giro suele comenzar cuando el viento de las capas altas sopla con mayor intensidad y en distinto sentido que el de las capas bajas. Las velocidades del viento, de hasta 500 km/h, hace de los tornados uno de los fenómenos climáticos más peligrosos, rápidos y devastadores que existen. Son típicamente norteamericanos pero pueden aparecer en otros lugares de latitudes templadas, entre ellos en España, sobre todo por las costas del sur y del este peninsular. 21 LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA. Se pueden encontrar diferentes definiciones de contaminación atmosférica en función del criterio utilizado: la fuente de contaminación, las causas o los efectos que produce. En lo que a la legislación española se refiere, la Ley 34/2007 de calidad del aire y protección de la atmósfera, en su artículo 3 define contaminación atmosférica de la siguiente manera: La contaminación atmosférica es la presencia en la atmósfera de materias, sustancias o formas de energía que impliquen molestia grave, riesgo o daño para la seguridad o la salud de las personas, el medio ambiente o los demás bienes de cualquier naturaleza. Por otro lado se define sustancia contaminante a todo agente ajeno a la composición propia de la atmósfera que, en una proporción determinada, producirá alteraciones en esa composición nocivas para la vida. Las sustancias pueden ser elementos o compuestos químicos de origen natural o artificial capaces de incorporarse a la dinámica atmosférica y permanecer en ella por un tiempo definido o indefinido. Estas sustancias se presentan tanto en estado sólido como en estado líquido o gaseoso. Por su parte, las formas de energía que se consideran contaminantes son las ondas sonoras y electromagnéticas generadas por algunas actividades humanas. Las causas de la contaminación. La contaminación del aire puede deberse tanto a fenómenos naturales como a las actividades humanas. Entre las principales causas naturales que arrojan contaminantes a la atmósfera destacan la actividad volcánica, los incendios naturales, la actividad de algunos seres vivos, etc. Las actividades humanas que son causa de la contaminación son, principalmente, los procesos industriales, la quema de combustibles fósiles para la generación de energía o para el transporte, la quema de otras sustancias como los residuos o el tabaco, etc. En relación con este aspecto, hay que distinguir dos conceptos importantes: emisión e inmisión. Emisión. Es la medida del caudal volumétrico que una fuente contaminante vierte por unidad de tiempo. Se expresa generalmente en peso (cantidad por segundo, por hora, por día, etc.), por la cantidad de contaminante por unidad de volumen de un gas emitido en un proceso industrial, o por la cantidad de energía emitida por una fuente de sonido o de ondas radioeléctricas. 22 Inmisión. Es el límite máximo tolerable de contaminantes, en este caso atmosféricos, a los que están expuestos seres humanos, animales, vegetales y materiales. Tipos de contaminantes. Podemos clasificar a los contaminantes en tres grupos: Sustancias Químicas: Contaminantes Primarios: Son emitidos a la atmósfera de manera directa: partículas, compuestos de azufre (SO2, SO3 y H2S), óxidos de nitrógeno (N2O, NO, NO2), óxidos de carbono (CO y CO2), compuestos orgánicos (COV= compuestos orgánicos volátiles de más de 5 át. de C y CH4), compuestos halogenados (Cl2, HCl, HF, CFC´s). Tabla 2: Contaminantes primarios en la atmósfera. 23 Contaminantes Secundarios: Se originan a partir de contaminantes primarios por reacciones químicas en la atmósfera. Son SO3, NO3, H2SO4, HNO3, O3 troposférico, PAN = nitratos de peroxiacetilo. Tabla 3: Contaminantes secundarios en la atmósfera. Formas de Energía: Radiaciones Ionizantes: Son la radiación alfa, beta y gamma y los rayos X. Los efectos de estas radiaciones sobre los seres vivos depende del tipo de radiación y del tiempo de exposición. Radiaciones no Ionizantes: Son la radiación ultravioleta, radiación infrarroja, radiofrecuencias y microondas. Los efectos que provocan dependen de la intensidad y del tiempo de exposición. 24 Tabla 3: Formas de energía que actúan como contaminantes atmosféricos. Partículas: Son aquellos contaminantes que podemos encontrar en la atmósfera en estado sólido o líquido, con un tamaño superior a 0,1 µm e inferior a 1000 µm. Las partículas se encuentran en la atmósfera en forma de polvo, niebla, aerosoles o humo, y su tiempo de residencia es muy variado. Se emiten a la atmósfera a través de procesos naturales (incendios, emisiones volcánicas, erosión y transporte eólico) o de fuentes antropogénicas (industria, núcleos urbanos, incineraciones controladas). Pueden originar graves molestias si aumenta su concentración, aunque lo normal es que se acaben por depositar dando lugar a la contaminación del suelo y de las aguas. Dentro de las partículas debemos hacer especial mención a los metales pesados, que suponen un grave problema en el caso de estar presentes en la atmósfera, en especial, el plomo (Pb), mercurio (Hg) y cadmio (Cd). El problema principal es su inclusión dentro de las cadenas tróficas dando lugar al proceso de bioacumulación. La bioacumulación es el problema que se produce cuando una sustancia tóxica es consumida pero no metabolizada. Debido a esto, en una cadena trófica, los consumidores 25 terciarios ingerirán una cantidad de contaminantes muy superior a los consumidores primarios, ya que el contaminante se va acumulando al pasar de eslabón a eslabón dentro de la cadena trófica, pudiendo llegar a producir la muerte por intoxicación de los seres vivos. Las sustancias tóxicas se introducen en las cadenas alimenticias por vía respiratoria, digestiva, o bien directamente a través de los tejidos. Dispersión de los contaminantes. Los factores que influyen en la dinámica de dispersión de contaminantes son: Características de las Emisiones. Viene determinado por: la naturaleza del contaminante (si es gas o partículas, puesto que las partículas pueden depositarse con mayor facilidad), por la altura del foco emisor (una mayor altura facilita la dispersión), y por la concentración y características físico-químicas de las emisiones (la temperatura de la emisión y la velocidad de salida, dado que a una mayor velocidad existe más posibilidad de atravesar las capas de inversión). Condiciones Atmosféricas. De forma general, las situaciones anticiclónicas dificulta la dispersión de los contaminantes, mientras que las situaciones de borrasca las facilita. Entre los factores atmosféricos que se deben tener en cuenta destacan: 26 La temperatura del aire y sus variaciones con la altura, que determinan los movimientos de las masas de aire y por tanto las condiciones de estabilidad o inestabilidad atmosféricas. Los vientos, relacionados con la dinámica horizontal atmosférica, elementos de gran importancia en la dispersión de contaminantes, en función de las características: dirección, velocidad y turbulencia. Precipitaciones, que producen un efecto de lavado sobre la atmósfera al arrastrar parte de los contaminantes del suelo. Insolación, que favorece las reacciones entre los precursores de los contaminantes secundarios, aumentando la concentración de los mismos. Características Geográficas y Topográficas. Distinguimos: Zonas Costeras: Las brisas marinas durante el día desplazan a los contaminantes tierra adentro y durante la noche hacia el mar. Figura 16. Sistema de brisas marinas y efectos sobre los contaminantes. Situaciones de Inversión Térmica: Las situaciones de inversión térmica dificulta la dispersión de los contaminantes. Estas situaciones tienen lugar en valles fluviales o laderas de montaña. Durante el día, las laderas se calientan y se genera una corriente ascendente de aire caliente, mientras que en el fondo del valle se acumula una masa de aire frío y se origina una situación de 27 inversión térmica que impedirá el movimiento de las masas de aire y dificultará la dispersión de los contaminantes. Durante la noche, el suelo cede calor a las masas de aire circundante y asciende; en su lugar desciende aire frío al fondo del valle, se acumula y da lugar a la misma situación. Además, las laderas de las montañas son un obstáculo para el movimiento de las masas de aire, favoreciendo la acumulación de contaminantes. Figura 17. Esquema de la formación de brisas de valle y de montaña. Algo similar ocurre en los núcleos urbanos, donde se forma lo que se conoce como Cúpula de Contaminantes. Aparece el efecto denominado isla de calor, que hace que la temperatura en el interior de la ciudad sea más alta que en su periferia por el calor que se produce en las combustiones de vehículos, calefacciones, etc. Esto dificulta la dispersión de los contaminantes, favoreciendo su concentración y originando la cúpula de contaminantes, que se ve incrementada en situaciones anticiclónicas y que puede ser eliminada por la llegada de frentes fríos que aporten vientos y lluvias en la ciudad. Figura 18. Formación de la isla de calor y aparición de brisas urbanas. 28 Presencia de masas vegetales. Disminuye la cantidad de contaminación en el aire al frenar la velocidad del viento, facilitando la deposición de las partículas que quedan retenidas en las hojas, de forma mayoritaria. Además, la vegetación absorbe CO2 para realizar la fotosíntesis, actuando como un sumidero de este compuesto. Efectos de la contaminación. Los efectos de la contaminación pueden afectar en distintas escalas: local, regional y global. EFECTOS LOCALES: Los efectos locales más importantes son la formación de nieblas contaminantes conocidos como smog. Diferenciamos el smog sulfuroso o húmedo y el smog fotoquímico, que se forman bajo condiciones distintas. CARACTERÍSTICAS SMOG SULFUROSO SMOG FOTOQUÍMICO TEMPERATURA De -1 ºC a 4 ºC De 24 ºC a 32 ºC HUMEDAD RELATIVA 85% Inferior al 50% SITUACIÓN ATMOSFÉRICA Anticiclónica y niebla Anticiclónica y soleada ÉPOCA DEL AÑO Diciembre-Enero Agosto-Septiembre Contaminantes Primarios Contaminantes Secundarios Alteraciones respiratorias Irritaciones oculares y daños en la vegetación TIPO CONTAMINANTES EFECTOS DE Figura 19. En la imagen de la izquierda se observa una situación de smog sulfuroso mientras que en la imagen de la derecha se observa una situación con smog fotoquímico. 29 EFECTOS REGIONALES: Dentro de los efectos regionales, el más importante es la lluvia ácida. Las reacciones que desencadenan la formación de lluvia ácida (a partir de óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno) son: SO2 + H2O H2SO3 // H2SO3 + 2OH- H2SO4 + H2O NO2 + OH- HNO3 Los efectos de la lluvia ácida se manifiestan principalmente sobre: Los ecosistemas acuáticos como ríos y lagos, cuyo incremento de la acidez provoca una disminución o la desaparición de especies de seres vivos. El suelo, provocando un aumento de su acidez que lleva a cambios en su composición, empeorando su calidad y transformándolos en suelos improductivos. La vegetación, siendo los bosques los que más sufren sus efectos con pérdida de color en hojas, caída de las mismas, etc. (muerte de los árboles en general). Los materiales, así la corrosión de metales, deterioro de pinturas y barnices, descomposición de materiales de construcción, sobre todo calizas, mármoles, areniscas, en los que provoca el denominado “mal de la piedra”. Figura 20. Formación de la lluvia ácida. 30 EFECTOS GLOBALES: Afectan a la totalidad del planeta. Dentro de estos efectos destacamos los agujeros de la capa de ozono y aumento del efecto invernadero. Agujeros de la Capa de Ozono. Consiste en la destrucción del ozono estratosférico. Los responsables de esta destrucción son los compuestos clorofluorcarbonados (CFC´s), especialmente: CFCl3 y CF2. Estos compuestos son inertes en la troposfera sin embargo, cuando los CFC´s llegan a la estratosfera, la radiación UV los descompone, formándose radicales cloro (Cl·) que reaccionan con el O3 estratosférico, iniciándose una serie de reacciones en cascada. La destrucción de la capa de ozono ocurre de la siguiente manera: Fotolisis de los CFC´s: CFCl3 + rad. UV CFCl2 + Cl· Destrucción del Ozono: Cl· + O3 ClO + O2 ClO + O Cl· + O2 O3 + O 2 O2 (Reacción global de destrucción del O3) El Cl· vuelve a iniciar la cadena. Existe otra reacción: NOx + ClO ClNO3 ; Mediante esta reacción, al formarse el nitrato de cloro se protege al ozono de la acción del cloro. De esta manera los NO2 presentes en la estratosfera desempeñan el importantísimo papel de “atrapar” al cloro, produciendo su inactivación. Figura 21. Efecto de los CFC sobre el ozono de la ozonosfera (Capa de Ozono) 31 Efectos de la destrucción de la capa de ozono. Sobre la población. La disminución del ozono en la estratosfera hace que la población mundial se encuentre hoy más expuesta a la radiación UV (longitud de onda entre 280-320 nm). Las principales afecciones y enfermedades que pueden sobrevenir son cáncer de piel, cataratas y debilitamiento del sistema inmunológico. Estudios recientes han demostrado que un 1% de reducción en la capa de ozono acarrea un aumento de casi un 2% en la radiación UV. Este aumento, a su vez, supone entre un 4 y un 6% de incremento en los casos de carcinomas de piel. Sobre los ecosistemas. La radiación ultravioleta es dañina para el material genético y afecta a los procesos de crecimiento. En los ecosistemas marinos, afecta, especialmente, al ADN y al crecimiento y a la reproducción de aquellos organismos que se encuentran en la base de la cadena alimenticia, ya que viven en las zonas más superficiales. Más del 50% de la biomasa del mundo se Curiosidades: El Protocolo de Montreal. En el año 1987, 36 países firmaron un acuerdo sobre la producción de CFC que consistía en: Congelar la producción. Reducirla a un 20% en 1993. Reducirla en otro 30% en 1998. Según un informe del PNUMA (Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente) de 1998, gracias al Protocolo de Montreal, el consumo mundial de CFCs ha disminuido desde 1,1 millón de toneladas en 1986, hasta 160.000 toneladas en 1996. Aun así, se piensa que la capa de ozono no podrá recuperarse hasta el 2050. Curiosidades: En la actualidad más del 95% de los aerosoles que se fabrican en España no utilizan CFCs como propelentes. El 5% restante corresponde a empleo de CFCs en usos muy específicos, como productos medicinales y científicos que no se pueden adaptar a otras alternativas de propelentes y su uso está autorizado. encuentra en los ecosistemas acuáticos; por lo tanto, una disminución en su productividad podría tener graves consecuencias para el planeta. En la actualidad la recuperación de la capa de ozono es lenta, pero progresiva. Documental Youtube: Destrucción de la capa de ozono: documental completo (Tiempo: 30,57minutos). 32 Aumento del Efecto Invernadero. La luz del Sol llega con facilidad a la superficie terrestre, que se calienta y emite ondas caloríficas que son absorbidas en gran parte por la atmósfera. Se llama efecto invernadero al fenómeno natural mediante el cual la acción del vapor del agua, CO2 y otros gases de la atmósfera (metano (CH4), óxido nitroso (N2O), ozono troposférico (O3), etc) conocidos como gases de efecto invernadero (GEI´s), impiden la salida de esa parte de la radiación del Sol emitida por la Tierra en forma de ondas de radiación infrarroja (calor). Gracias al efecto invernadero, la Tierra es un planeta habitable. Si no hubiera en el aire gases de efecto invernadero, la temperatura media del planeta sería de 18ºC bajo cero de media, en vez de 15ºC sobre cero. Sin embargo debido a la utilización intensiva de energía procedente de la quema de combustibles fósiles en las actividades industriales y el transporte, ha aumentado el contenido de gases de efecto invernadero en la atmósfera por encima de sus valores anteriores, lo que está provocando un progresivo calentamiento de la atmósfera del planeta, que está llevando a un calentamiento global y a un cambio climático global de origen antropogénico. A este incremento se añaden otros problemas, como la deforestación que ha reducido la capacidad de retirada de CO2 de la atmósfera. Figura 22. Esquema del mecanismo que produce el efecto invernadero en la atmósfera. En detalle, el mismo efecto en un invernadero. 33 El cambio climático actual y sus consecuencias. Actualmente, y con perspectivas futuras, las emisiones de origen antropogénico son la causa principal del calentamiento global del planeta en curso. Este fenómeno, que implica un aumento de las temperaturas de la atmósfera y de los océanos, es un hecho, y se produce de un modo muy rápido en comparación con cambios climáticos del pasado. El resultado será un cambio climático global. La causa fundamental es el aporte masivo de gases invernadero por actividades humanas. Según los últimos resultados de los informes del Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC): Las temperaturas medias globales se elevarán entre 1 y 3,5 grados centígrados de aquí a 100 años, lo que representa el aumento más rápido registrado en los últimos 10.000 años. Las condiciones climáticas de la franja de latitudes medias del planeta se desplazarán hacia el norte. España, por tanto, sufrirá un proceso de desertificación acelerado y el norte de Europa tendrá un clima más templado. El nivel medio del mar subirá entre 15 y 95 centímetros en un siglo. Esta subida afectará a zonas costeras, lo que en algunos casos implicará la sumersión de una considerable parte del territorio de algunos países, tales como Bangladesh, o su desaparición total, como ocurrirá con algunas islas coralinas del Índico o del Pacífico. La lucha contra el cambio climático: la reducción y captura del CO2. Ante el incremento del CO2, los riesgos de la energía nuclear y el reducido rendimiento del resto de las energías, las empresas energéticas y los gobiernos están empeñados en la búsqueda de tecnologías que reduzcan la emisión del CO2 a la atmósfera. Las líneas de investigación se centran en la reducción del CO2 previo a la combustión, la reducción del CO2 durante el proceso de combustión y el almacenaje a la salida del proceso industrial. Están en marcha proyectos (cuestionados por asociaciones ecologistas) para la captura y almacenaje de CO2 en los subsuelos terrestre y marino. En la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático, celebrada en diciembre de 1997 en Kioto, se adoptó el llamado Protocolo de Kioto, mediante el que los países firmantes se comprometieron a reducir emisiones de efecto invernadero (EEUU, el mayor productor de CO 2, no lo suscribió). En diciembre de 2007, y organizada por Naciones Unidas, se celebró en Bali la 13ª Conferencia de Cambio Climático (Cumbre del Clima), que sentó las bases para un nuevo acuerdo contra el calentamiento global que sustituirá al Protocolo de Kioto en 2009 y entró en vigor en 2013. A este acuerdo si se ha sumado EEUU. 34