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Técnicas Instrumentales aplicadas a la Vigilancia Atmosférica
Introducción General al Sistema Atmosférico
Terrestre.
1.1. La atmósfera.
1.2. Acerca del Origen y Evolución de la Atmósfera
Terrestre
1.3. Composición Química Actual.
1.4. Variaciones espacio-temporales de los componentes
atmosféricos.
1.4.1. Variaciones con la altura.
1.4.2. Variaciones con la latitud.
1.4.3. Variaciones con el tiempo.
Curso Doctorado
ATMOSFERA
Vapor
griego
Curso Doctorado:
TIAVAG.
1.- IntroducciónTerrestre
General AT.
Descripción
General
de laTema
Atmósfera
ATMOS
SPHAIRA
Esfera
a) la atmósfera proporciona los componentes necesarios que intervienen en los procesos
respiratorios de animales y plantas (CO2, O2, etc..).
b) actúa como barrera frente al polvo cósmico procedente del espacio exterior.
c) permite que exista un efecto invernadero (absorción de radiación infrarroja por parte
del CO2, CH4, O3, etc..) sin el cual la temperatura en la superficie del planeta sería unas
decenas de grados inferior a la actual.
d) algunos de sus componentes filtran la radiación letal procedente de nuestro sol
impidiendo que alcance la superficie (O2, O3, etc..).
e) los procesos de circulación general de este fluido alrededor del globo redistribuyen por
todo el planeta la energía que intercepta la tierra proveniente del sol.
La atmósfera
H2
Ni
4.5 billones
de años
Fe
He
Nube Interestelar
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
Resto
Génesis y Evolución
El colapso gravitatorio
da lugar a la
formación del sol y de
los planetas del
sistema solar
Sistema Solar
Tema 1.- Introducción General AT.
a) y b) la nebulosa solar se contrae
y aplana hasta formar un disco en
rotación.
Curso Doctorado: TIAVAG.
c) los granos de polvo forman
estructuras que chocan entre si y
permanecen juntas, aumentando de
tamaño y formando objetos
llamados planetesimales.
e) los planetesimales continúan
chocando y creciendo de tamaño.
f) luego de cientos de millones de
años se forman los planetas en
órbitas circulares .
Génesis y Evolución
Ni
Fe
4.5 billones
de años
Tema 1.- Introducción General AT.
Curso Doctorado: TIAVAG.
El colapso gravitatorio
da lugar a la
formación del sol y de
los planetas del
sistema solar
H2
Resto
He
Nube Interestelar
Sistema Solar
El fuerte viento solar en la fase t-tauri
del Sol barre completamente el
remanente de los gases de la nube
interestelar.
Si Fe Ni
Compuestos
hidrogenados
PROTOATMÓSFERA
H2O
CO2
Tierra
Sólida
Tierra
Sólida
Planeta sin Atmósfera
La acumulación y
transformación de los
componentes emitidos desde
el interior da lugar a la
atmósfera actual
NH3
Atmósfera Primitiva
Génesis y Evolución
Atmósfera Actual
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AIRE SECO
COMPONENTE Símbolo Peso molec. % Volumen
Nitrógeno
N2
28.013
78.08
Oxígeno
O2
31.999
20.95
Argón
Ar
39.948
0.93
Diox.Carbono
CO2
44.010
0.03
Neón
Ne
0.0018
Helio
He
0.00052
Metano
CH4
0.00012
Criptón
Kr
0.00010
Ox.Nítrico
NO
0.00005
Hidrógeno
H2
0.00005
Xenon
Xe
0.000009
Ozono
O3
0.000003
99.96%
VAPOR DE AGUA
AEROSOLES
Composición Química
4%
% Masa
75.52
23.15
1.28
0.05
Ppm (vol)
780.8
209.5
9.3
315
18
5.2
1.0-12
1.0
0.5
0.5
0.09
0.03
µg/m3
8.95 x 108
2.74 x 108
1.52 x 107
5.67 x 105
1.49 x 104
8.5 x 102
6.56-7.87 x 102
3.43 x 103
9.00 x 102
4.13 x 101
4.29 x 102
0.000003
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
Tiempo de Residencia
mx
mx
[X]
= =
=
F x dm x dt d [ X ] dt
•mx = masa total promedio del componente en la atmósfera.
•Fx = flujo entrante o saliente de ese componente a la atmósfera (puede tener fuentes y
sumideros).
•[X] = concentración del componente en la atmósfera.
Gases Permanentes: tienen tiempos de residencia grandes, muchos años. No se aprecia
grandes variaciones en su concentración.
Gases Semipermanentes: tienen tiempos de residencia del orden de meses o pocos
años.
Gases Variables: τ del orden de días o de semanas. Estos gases se caracterizan porque
son muy activos químicamente y tienen por lo general mx muy bajas.
Tiempo de Residencia
Tema 1.- Introducción General AT.
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tiempo
residencia
estimado
Componente
Símbolo
Nitrógeno
Oxígeno
Argón
Dióxido de carbono
Neón
Helio
Xenón
Criptón
Metano
Monóxido de carbono
Hidrógeno
Monóxido de dinitrógeno
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
Xe
Kr
CH4
CO
H2
N2O
Ozono
Ac. sulfídrico
Dióxido azufre
Amoniaco
Dióxido de nitrógeno
O3
H2S
SO2
NH3
NO2
Varios días
10 días
5 días
1-4 días
2-8 días
VAPOR DE AGUA
H2O
Varios días
Tiempo de Residencia
Clasificación
2 x 107 años
5 - 10 años
PERMANENTES
3 x 106 años
3 años
< 1 año
CFCs
SEMIPERMANENTES
V
A
RI
A
B
L
E
S
75
Altura (Km)
Tema 1.- Introducción General AT.
Mesosfera
(mucha mezcla)
50
Estratosfera
(poca mezcla)
25
Troposfera
(mucha mezcla)
0
Latitud o distancia
Variaciones Verticales
HOMOSFERA
Curso Doctorado: TIAVAG.
Termosfera
(No hay mezcla)
100
HETEROSFERA
Distribución según peso molecular ……………………….?
Tema 1.- Introducción General AT.
Termosfera
Mesopausa
Ozono
Mesosfera
Agua
Curso Doctorado: TIAVAG.
Estratopausa
CO2
Estratosfera
Tropopausa
Troposfera
Concentración aproximada de los componentes (moléculas/cm3)
Variaciones Verticales
Tema 1.- Introducción General AT.
Curso Doctorado: TIAVAG.
Esquema propuesto por Sydney Chapman en 1930
FORMACIÓN
O2 + hν
O(1D) + M
⇒ O(1D) + O
λ < 175 nm (z > 25 Km)
⇒ O+O
λ < 242 nm (z > 80 Km)
⇒ O+M
M=(O2, NO2)
O + O2 + M ⇒ O3 + M
DESTRUCIÓN
O3 + hν
⇒
O(1D) + O2
λ < 310 nm (z > 20 Km)
⇒
O + O2
λ < 710 nm (z > 0 Km)
O(1D) + O3 ⇒
Variaciones Verticales. Ozono
O2 + O2
Curso Doctorado: TIAVAG.
4
Intensidad de
radiación monocromática
[O2]
(Z -Z m )/H
Tema 1.- Introducción General AT.
6
2
0
-2
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
q /q m
Perfil Chapman: razón de absorción de radiación monocromática normalizada al máximo (q/qm) en función de la altura
normalizada (z-zm/H, H=factor de escala) en una atmósfera donde la concentración de absorbente disminuye
exponencialmente con la altura.
Variaciones Verticales. Ozono. Chapman
Variaciones Latitud. Vapor Agua.
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
Variaciones Latitud. Ozono Troposférico
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
Variaciones Latitud. Ozono Total
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
Variaciones Diarias
TIEMPO
Tema 1.- Introducción General AT.
Curso Doctorado: TIAVAG.
Efectos locales:
Naturales o
antropogénicos
Variaciones Estacionales
Procesos
relacionados
con los cambios
estacionales
Variaciones de Largo Periodo: Tendencias
Efectos Globales:
Naturales o
antropogénicos
Variaciones Temporales
30
NIWOT ROGE
ozono, ppbv
(A
GRAU
10
0
-10
-20
3
ozono, ppbv
2
1
0
-1
-2
IZAÑA
-3
MAUNA LOA
(B
-4
3
BARBADOS
ozono, ppbv
2
(C
MACE HEAD
1
0
-1
-2
-3
ozono, ppbv
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
20
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
(D
AGUERE
REIKIAVIK
Hora del día
0
2
4
6
8
10
12
Variaciones Tiempo. Ozono Superficial. Diarias
14
16
18
20
22
WEEKDAYS
WEEKENDS
50
50
A)
B)
40
O3 (ppbv)
30
20
10
50
30
20
10
0
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
50
0
20
10
6
8 10 12 14 16 18 20 22
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
30
20
10
0
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
0
50
2
50
E)
F)
40
NO2 (ppbv)
40
NO2 (ppbv)
4
D)
30
30
20
10
0
30
20
10
0
0
2
4
6
4000
8 10 12 14 16 18 20 22
0
2500
2000
1500
1000
500
2
4000
TRAFFIC DENSITY
G)
vehicles / hour
3500
3000
2
40
40
NO (ppbv)
NO (ppbv)
C)
vehicles / hour
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
O3 (ppbv)
40
3500
3000
TRAFFIC DENSITY
H)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
Time (UTC)
Variaciones Tiempo. Ozono Superficial. Diarias
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
Time (UTC)
ozono, ppbv
40
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
O
N
D
ozono, ppbv
HEMISFERIO SUR
30
20
10
INVIERNO
0
E
F
M
A
M
J
J
A
S
MES
Variaciones Tiempo. Ozono Superficial. Estacionales
MACE HEAD, 53ºN
10
SYOWA, 69ºS
INVIERNO
GRAU, 40ºN
20
CAPE GRIM, 41ºS
30
BERMUDA, 32ºN
40
AGUERE, 29ºN
50
CAPE POINT, 24ºS
SAMOA, 14ºS
Tema 1.- Introducción General AT.
HEMISFERIO NORTE
BARBADOS, 13ºN
Curso Doctorado: TIAVAG.
60
Curso Doctorado: TIAVAG.
2.4%/año
5 0
O z o n o (p p b v )
Tema 1.- Introducción General AT.
6 0
4 0
1.6%/año
3 0
2 0
1 0
0
1 8 7 0
1 8 9 0
1 9 1 0
1 9 3 0
 Zugspitze (3000 m)
Mont Ventoux (1900 m)
(1938)
(1977-1980)

Hohenpeiisenberg
m)
 (1971
Arosa–1976)
(1860 m)
(1951-1953)
1 9 7 0
Pfander Mountain (1064 m)
(1940)
Pic du Midi (3000 m)
(1982-1984)

1 9 5 0
(1000
Jungfraujoch (3500 m)
(1933)

Pic du Midi (3000 m)
(1874-1909)
Variaciones Tiempo. Ozono Superficial. Tendencias
1 9 9 0
Variaciones Tiempo. Ozono Total
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
Variaciones Tiempo. CO2
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
C o n c e n tra c ió n d e C O 2 ( p p m )
Curso Doctorado: TIAVAG.
Tema 1.- Introducción General AT.
380
370
360
350
340
330
320
310
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
T ie m p o (a ñ o s )
Concentraciones de CO2 atmosférico de fondo en Mauna Loa (Hawai).
Variaciones Tiempo. CO2
1995
2000
Tema 1.- Introducción General AT.
Curso Doctorado: TIAVAG.
Cambio en los niveles de NO2 atmosférico de fondo.
Variaciones Tiempo. NO2