Balance de energía del sistema climático

B a la n c e de e n e rg ía de l s is t e m a c lim á tic o
En equilibrio, la Tierra recibe tanta energía del Sol como la que emite.
Si uno de los componentes cambia, el balance energético se ajustará de forma de
recobrar un nuevo equilibrio que tendrá una nueva temperatura.
PRIMERA LEY TERMODINAMICA: dq = dU - dW
¿Qué dice?
El calor suministrado a un sistema cerrado es igual al cambio en la energía interna
menos el trabajo realizado
TRANSFERENCIA DE CALOR
RADIACIÓN:
NO hay intercambio de masa.
NO requiere de un medio.
CONDUCCIÓN:
NO hay intercambio de masa.
SI requiere un medio
CONVECCIÓN:
SI hay intercambio de masa.
ADVECCIÓN:Transporte de una p
Por un fluido
RADIACIÓN ELECTROMAGNETICA
•
Consideraremos como una onda que se propaga y dicha onda es
eléctrica y magnética.
•
La velocidad en el vacío es la vel de la luz: c= 3*108 m/s
•
c= λν : mayores longitudes de onda
menores frecuencias
In te ra c c ió n de la ra dia c ió n e le c t ro m a g n é t ic a
c o n lo s g a s e s a tm o s fé ric o s
R o ta c ió n , V ib ra c ió n … F o t o dis o c ia c ió n , io n iza c ió n
H2 0
C O2
H2 0
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
• RADIACIÓN SOLAR: RADIACIÓN DE ONDA CORTA
• RADIACIÓN TERRESTRE: RADIACIÓN DE ONDA
LARGA
LEYES DE RADIACIÓN
• CUERPO NEGRO: cuerpo ideal que absorbe y emite toda la
radiación incidente.
• Ley de Planck: La intensidad de la radiación en una cavidad que
se encuentra en eq. Termodinámico es función únicamente de la T
y ʋ.
Bʋ (T) = (2 h ʋ3 / c2 )(1/ ehʋ/kT – 1)
•
•
LEY de Stefan-Bolzmann:
Ecn= σ T4
(σ = 5.67 * 10-8 W/m2K4)
LEY de WIEN : λmax~cte/T
Esta ley nos dice que la long de onda de maxima emision de un
cuerpo es inversamente proporcional a su T. T altas, λ cortas!!!.
La energía solar es de Onda corta
RADIACIÓN SOLAR
•
Densidad de Flujo solar=
Flujo/ área = Lo/ 4πr2 = 6.4*107
W/ m2 (Lo= 3.9*1026 W)
•
Densidad de Flujo a una
distancia d la llamamos Sd :
Lo = Sd 4πd2
La constante solar es
So = 1367 W/ m2
( ya que la distancia Tierra-Sol es de
1.5*1011m )
COMPARACÍON ENTRE VENUS, MARTE Y LA TIERRA
La curva muestra las T calculadas si los planetas
absorbieran toda la radiación solar. (Círculos negros: T
observada)
Para determinar la T de un planeta debido unicamente a su posición
respecto al Sol, utilizamos la ley de conservación de la energía .
Esta ley nos dice que en estado de equilibrio el planeta absorbe y
emite iguales cantidades de energía.
• Flujo de energía solar
por unidad de área:
Es = πR2 S
• La energía que irradia
la Tierra esta dada por
la Ley de Stef.-Bolt.
ET= 4 πR2 σ T4
• Estado de eq.: Es = ET,
los que nos da una
Teq = (S/4 σ )1/4
(Teq~5ºC ¿¿¿????)
Teq~ -19ºC !!!!!!
Albedo
INSOLACIÓN Neta
Nos falta considerar la composición
química atmosférica y el efecto
invernadero!!!!
Volviendo a la comparación planetaria…..
Venus Atmósfera: 96% dióxido de carbono, 3% nitrógeno y 1% dióxido de azufre, agua y otros
Ej. Modelo sencillo atmósfera de una capa
Para ilustrar de forma sencilla
el efecto invernadero utilizando
el modelo de balance de energía
que hemos trabajado.
SUPONEMOS:
1) Atmósfera transparente
a la radiación de onda corta
EN LA DEMOSTRACIÓN REALIZADA EN CLASE
2) Atmósfera se comporta como
LLEGAMOS A QUE:
cuerpo negro para la
radiación de onda larga
Tsup = 21/4 Tatm !!!!!!
IMPORTANTE!!!: ESTO DEMUESTRA QUE LA ATMÓSFERA SE CALIENTA
DESDE ABAJO
Distribución de la Insolación
•
•
•
Variaciones latitudinales
y estacionales de la T
son debidos a:
Cantidad de radiación
solar incidente al tope de
la atmosfera que
depende de la Latitud,
estación y momento del
día.
La cantidad de energía
solar reflejada (sin
absorción) depende del
ángulo zenital solar y las
propiedades de la
superficie (albedo)
Balance de energía al tope de
la Atmósfera
Radiación de onda corta
que llega)
(radiaciòn solar
Radiación de onda larga (OLR)
terrestre que sale)
(radiación
• La OLR esta controlada por la
temperatura de la superficie de emisión.
Por lo tanto los Polos y los topes nubosos
fríos son los que menos emiten. Los
mayores valores ocurren en superficies
calidas, con una atmósfera seca y sin
nubes.
• Mayor en los desiertos y océanos
tropicales ( regiones con poca nubosidad)
• Menor en las regiones polares y en
regiones con alta persistencia de
nubosidad.
Flujo neto de radiación (al tope)
• La radiación neta es negativa cerca de los polos
y positiva en los trópicos.
• El valor positivo mas alto es de 120 W/m2 y
ocurre en los océanos subtropicales del
Hemisferio que se encuentra en verano. (Mas
insolación y menos albedo).
• Pérdidas de energía mas grandes se dan en la
noche polar (gran emisión de OLR).
• Desiertos, si bien se encuentran en zonas
subtropicales, presentan mínimos de energía en
el promedio anual. Dos efectos: gran albedo +
gran pérdida de OLR debido a atmósfera seca.
• El gradiente latitudinal de la radiación neta debe
ser balanceado por un flujo de energía hacia los
polos.