atmósfera - CONICET Mendoza
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Programa Regional de Meteorología / IANIGLA - CONICET ATMÓSFERA www.prmarg.org E-mail: [email protected] Av. Ruíz Leal s/n Parque General San Martín. Mendoza - Argentina Tel. (+54 - 261 ) 428 6010 ATMÓSFERA 2 Masa gaseosa que envuelve la tierra y por gravedad se concentra en la superficie y acompañando su movimiento de giro con ella. ESTRATOSFERA TROPOSFERA Ecuador TIERRA 18 Km Composición de la Atmósfera Componente Símbolo Volumen % (aire seco) Nitrógeno N2 78.08 Oxígeno O2 20.94 Vapor de agua H2O 4 Argón Ar 0.93 Dióxido de carbono CO2 0.03 Neón Ne 0.0018 Helio He 0.0005 Ozono O3 0.00006 Hidrógeno H 0.00005 Criptón – Xenón - Metano Kr - Xe - Me Trazas En función del comportamiento de la temperatura con la altura se puede dividir en diferentes capas Exósfera Mesósfera Estratósfera Tropósfera Tropósfera Se extiende desde la superficie terrestre hasta los 18 km de altura en el ecuador, 13 km en latitudes medias 8 km sobre los polos. En esta capa se forman las nubes y procesos atmosféricos La temperatura del aire disminuye con la altura. Estratósfera Se extiende hasta los 50 km de altura aproximadamente. La temperatura aumenta con la altura, fenómeno que se atribuye a la presencia de ozono (O3). La concentración O3 es máxima entre los 20 y 25 km de altitud. Tanto la formación como la destrucción de O3, se hace por reacciones fotoquímicas. La gran absorción de rayos ultravioletas, explica la elevación considerable de la temperatura. La temperatura vuelve a disminuir con la altura. Se extiende hasta los 80km, altitud a la que se observa un cambio en la variación de la temperatura con la altura. La densidad del aire es mínima, la presión varía entre 1 y 0.01 mb. A pesar de su extensión, contiene alrededor del 1% de la masa total de la atmósfera. Mesósfera Termósfera o Ionósfera La temperatura aumenta con la altura. La influencia de partículas electrizadas da lugar a la presencia de capas ionizadas que tienen la propiedad de reflejar las ondas radioeléctricas. Este fenómeno, hace posible la recepción de estaciones emisoras en lugares donde, por causa de la curvatura de la Tierra, no serían directamente perceptibles. Se encuentra por encima de 800 km. Constituye la zona de transición entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario. Se encuentra el cinturón de radiación que descubrió Van Allen, de gran importancia en el estudio de los viajes por el espacio cósmico. Exósfera Gradiente térmico vertical Importancia de la atmósfera para la vida en el Planeta Regula la distribución de calor en la superficie terrestre Durante el día, protege a la tierra de la fuerte radiación solar y filtra radiaciones nocivas Si no existiera la atmósfera, la temperatura de la tierra variaría entre 100°C y -150°C durante el día. Impide el escape del calor emitido por el sol al espacio Escalas temporales y espaciales de fenómenos meteorológicos Fenómeno Meteorológico Escala Espacial Escala Temporal El Niño 15000 km 3 - 6 años Oscilación Madden Julian – MJO 10000km 30 – 60 días Zona Converg. Atlánico Sur – ZCAS 6000 km 5 – 10 días Ciclones extratropicales 1000 – 6000 km 1 – 7 días Ciclones Tropicales - Huracanes 500 – 1000 km 1 – 2 días Frentes Fríos y Calientes 50 – 500 km 3 días - 24 hs Complejos Convectivos – MCC 50 – 500 km 12 – 30 hs Líneas de Inestabilidad 50 – 500 km 12 – 30 hs Fenómenos Orográficos 10 – 200 km < 24 hs Convección Profunda 1 – 50 km < 3 hs Efectos urbanos 1 – 20 km < 3 hs 500 m – 1 km < 30 min Plumas de chimeneas < 500 m < 30 min Turbulencia < 50 m < 3 min Tornados Escalas de Previsión Definición OMM Escala de Previsión Escala temporal Modelo numérico Resolución “Nowcasting” 0-2 hs Descripción del tiempo presente y previsión Observación radar, satélite Muy Corto Plazo 0- 12 hs Mesoescala < 10 km Corto Plazo < 72 hs Mesoescala, Regionales 10 – 50 km Mediano Plazo 3 – 10 días Globales 50-200 km Plazo Extendido 10 – 30 días Globales, Acoplados OcéanoAtmósfera 50-200 km Largo Plazo >30 días–2años Globales, Acoplados OcéanoAtmósfera 100-200 km Globales, Acoplados OcéanoAtmósfera 100-200 km 3 meses estacional Climático > 2 años Radiación e insolación La energía consumida en casi todos los procesos atmosféricos proviene del sol. Esta energía se transfiere a través de la radiación del calor en forma de ondas electromagnéticas. La radiación del sol tiene su pico de transmisión en el rango visible de longitudes de onda entre 0,38 y 0,78 micrómetros (µm) del espectro electromagnético. El sol también descarga una cantidad considerable de energía en las regiones ultravioletas e infrarrojas. El 99% de la energía solar se emite en longitudes de onda entre 0,5 y 40 µm. Las longitudes de onda más largas que 2,5 µm son absorbidas por el vapor de agua y el dióxido de carbono de la atmósfera. La radiación en longitudes de onda menores que 0,29 µm es absorbida en la atmósfera por el nitrógeno y el oxígeno. La radiación solar que cae sobre la Tierra tiene una longitud de onda que oscila entre 0,29 y 2,5 µm. La cantidad de radiación solar recibida en una hora y en un lugar específicos del sistema Tierra-atmósfera se llama insolación (insolation, incoming solar radiation) La insolación esta determinada por cuatro factores: La constante solar La transparencia de la atmósfera La duración de la luz del día El ángulo de caída de los rayos solares sobre la Tierra Dos factores que reducen la transparencia atmosférica Reflectividad y Absorción Se conoce como albedo a la capacidad general de las diferentes superficies de la Tierra de reflejar energía solar a la atmósfera El albedo se define como la fracción o porcentaje de la energía solar incidente que refleja una superficie al espacio. Las diferentes superficies - agua, nieve, arena, etc.- tienen diferentes valores albedo. El albedo promedio, para la Tierra y la atmósfera como un todo, es 30% cuando hay condiciones generales de nubosidad sobre la Tierra. Algunos de los gases de la atmósfera, notoriamente el vapor de agua, absorben la radiación solar, por lo que llega una menor radiación a la superficie terrestre. A pesar de componer sólo aproximadamente 3% de la atmósfera, el vapor de agua absorbe en promedio seis veces más radiación solar que los demás gases combinados. La cantidad de radiación recibida por la superficie terrestre es considerablemente menor que la recibida fuera de la atmósfera, representada por la constante solar. Todos los cuerpos, irradian energía en longitudes de onda a lo largo del espectro electromagnético. – Los cuerpos más cálidos irradian longitudes de onda más cortas – Los más fríos, longitudes de onda más largas. El sol tiene su transmisión pico en el rango visible 0,38 a 0,78 µm La Tierra emite su radiación máxima en longitudes de onda considerablemente más largas, en el rango de 10 µm (región infrarroja). La Tierra se calienta cuando absorbe energía y se enfría cuando la irradia. Absorbe y emite radiación al mismo tiempo. Si la superficie terrestre absorbe más energía que la que irradia, se calentará. Si la superficie terrestre irradia más energía que la que absorbe, se enfriará. BALANCE TERMICO DE LA ATMOSFERA La energía del sol siempre ingresa en la atmósfera. Si toda la energía se almacenara en el sistema Tierra-atmósfera, la Tierra se recalentaría. La energía se debe liberar de nuevo en el espacio. La radiación recibida regresa como radiación terrestre dando lugar a un balance térmico, balance de radiación. De cada 100 unidades de energía que ingresan en la atmósfera * 51 son absorbidas por la tierra, * 19 son absorbidas por la atmósfera * 30 reflejadas nuevamente al espacio Las 70 (51 + 19) unidades que absorbe el sistema Tierra-atmósfera son irradiadas nuevamente al espacio como una radiación de onda larga. calentamiento diferencial propiedad que hace que las diferentes superficies se calienten y se enfríen en distintas velocidades La superficie terrestre no sólo recibe diferentes magnitudes de radiación solar sino que las diversas superficies terrestres absorben energía térmica en magnitudes distintas. Las masas de tierra absorben y almacenan calor de manera diferente que las de agua. La capacidad de absorber y almacenar el calor es diferente en los distintos tipos de superficies terrestres. El color, la forma, la textura de la superficie, la vegetación y la presencia de construcciones pueden influir en el calentamiento y enfriamiento de la Tierra. Por lo general, las superficies secas se calientan y se enfrían más rápidamente que las húmedas. Las áreas aradas, las playas arenosas y los caminos pavimentados se calientan más que las praderas y las áreas boscosas. Durante el día, el aire de un terreno arado es más cálido que el de un bosque o un pantano; durante la noche, la situación es inversa. La absorción de la energía térmica del sol se confina en una capa poco profunda de la superficie terrestre. Las superficies terrestres se calientan rápidamente durante el día y se enfrían rápidamente durante la noche. Las superficies acuáticas se calientan y enfrían más lentamente que las terrestres porque El movimiento del agua produce calor Los rayos solares penetran la superficie del agua Se requiere más calor para cambiar la temperatura del agua debido a su mayor calor específico Se requiere más energía para aumentar la temperatura del agua que para cambiar la temperatura de la misma cantidad de suelo. La evaporación del agua es un proceso de enfriamiento Transporte de calor Además de la radiación, el calor se transmite por Conducción Convección Advección procesos que afectan la temperatura de la atmósfera cercana a la superficie terrestre. Conducción es el proceso por el cual se transmite calor a través de la materia sin que esta en sí se transfiera. El calor es conducido de un objeto más caliente a uno más frío. Convección es la transferencia de calor a través de la materia cuando está en movimiento. El aire que se calienta a través de una superficie terrestre calentada por conducción se elevará porque es más liviano que el del ambiente. El aire calentado se eleva y transfiere el calor verticalmente. El aire en altura más frío se hundirá porque es más pesado que el aire del ambiente. Está asociado con el aumento del aire y es parte de la transferencia de calor por convección. El término advección se refiere a la transferencia de calor que se produce principalmente por el movimiento horizontal antes que por el movimiento vertical del aire (convección). convección Distribución mundial del calor La distribución mundial de la insolación está estrechamente relacionada con la latitud. La insolación total anual es mayor en el ecuador y disminuye hacia los polos. Cantidad de radiación solar absorbida por la Tierra y la atmósfera (línea punteada), en comparación con la onda larga de radiación que sale de la atmósfera (línea negra). La cantidad de insolación recibida anualmente en el ecuador es cuatro veces mayor que la recibida en cualquiera de los polos. A medida que los rayos solares se desplazan estacionalmente de un hemisferio a otro, la zona de insolación diaria máxima posible se mueve con estos. Para la Tierra como un todo, las ganancias de energía solar equivalen a las pérdidas de energía que regresan al espacio (balance térmico). La región ecuatorial obtiene más calor que el que pierde y los polos pierden más calor que el que obtienen. El calor se distribuye de manera uniforme alrededor de la Tierra, de otro modo, las regiones ecuatoriales seguirían calentándose y los polos enfriándose. Para lograr un equilibrio, las circulaciones atmosféricas y oceánicas realizan una transferencia continua de calor a gran escala (de latitudes bajas a altas) La atmósfera conduce el aire cálido hacia los polos y el airefrío hacia el ecuador. La transferencia de calor de los trópicos hacia los polos se produce durante todo el año, pero en una escala mucho menor en verano que en invierno. La diferencia de temperatura entre las latitudes bajas y altas es menor en verano que en invierno. El hemisferio de invierno tiene una pérdida neta de energía, y el hemisferio de verano una ganancia neta. La mayor parte de la ganancia del estío se almacena en las capas superficiales de la Tierra y el océano, principalmente en este último. Los océanos también desempeñan un papel importante en el intercambio de calor. El agua caliente fluye hacia los polos a lo largo del lado occidental de una cuenca del océano y el agua fría hacia el ecuador en el lado oriental. En latitudes más altas, el agua caliente se mueve hacia los polos en el lado oriental de la cuenca del océano y el agua fría hacia el ecuador en el lado occidental. Las corrientes oceánicas se encargan de transportar aproximadamente 40 por ciento de la energía del ecuador hacia los polos. El 60 por ciento restante se atribuye al movimiento del aire. ESTRUCTURA DINAMICA Y FISICA DE LA ATMOSFERA El aire se mueve a fin de equilibrar los desbalances de presión causados por el calentamiento diferencial de la superficie terrestre. A medida que se traslada de áreas de alta presión a áreas de baja presión, el viento es influido significativamente por la presencia o ausencia de la fricción. Los vientos superficiales se comportan de manera diferente que los vientos en altura debido a las fuerzas de fricción que actúan cerca de la superficie terrestre. La rotación de la Tierra modifica la circulación atmosférica pero no la produce, ya que, esencialmente, la atmósfera rota con la Tierra.
