1

Ambiental

Física

Tema 2. LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA

Departamento de Física AplicadaUCLM

FÍSICA AMBIENTAL APLICADAFÍSICA AMBIENTAL APLICADA

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA

Equipo docente:Antonio J. Barbero GarcíaAlfonso Calera BelmontePablo Muñiz GarcíaJosé Ángel de Toro Sánchez

2

Núcleo interno

Sólido, radio 1200 km

Núcleo externo

Líquido, radio 3470 km

Manto

Radio 3470 km

Corteza

Espesor 8 - 70 kmAdaptado de:http://zebu.uoregon.edu/internet/images/earthstruc.gif

Teoría de acreción de planetesimales

Diferenciación de la estructura en función de la densidad

FORMACIÓN DE LA TIERRA

Ambiental

Física

3

Formada originalmente por los gases emitidos por componentes volátiles internos y erupciones volcánicas. Los gases fueron retenidos por la fuerza de gravedad.

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA

En las erupciones volcánicas actuales se observa que los volátiles más comunes son H2O (85%), CO2 (10%) y SO2 y compuestos de nitrógeno (resto).

Baja proporción actual de H2O en la atmósferaBaja proporción actual de CO2 en la atmósfera

Predominio del nitrógeno

Presencia de otros componentes (pequeña concentración)

Presencia de una importante fracción de O2

La atmósfera actual

Ambiental

Física

http://www.xtec.es/~rmolins1/solar/es/planeta02.htm

Información adicional: http://faculty.weber.edu/bdattilo/shknbk/notes/atmsphrorgns.htm

4

Componentes mayoritarios aire seco

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA

Vapor de agua: Hasta 4% (volumen)

Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press

Componentes mayoritarios aire seco(% masa)

COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km(porcentajes)

Ambiental

Física

5

(partes por millón en moléculas)

Ozono: 0-12 ppm

Componentes minoritarios

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)

Ambiental

Física

6

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: H2O

Baja proporción actual de H2O en la atmósfera

T

P

P3

T3

T3= 0.01 C = 273.16 K

TC

PC

1 atm

100 C

P3= 0.006112 bar

TC = 374.15 C = 647.30 K

PC = 221.20 bar

Los ejes NO están a escala

10 20 30º C10

20

30

40

mb

Condiciones ambientales

23 mb

Ambiental

Física

7

Baja proporción actual de H2O en la atmósfera

Limitada capacidad de retener agua en estado vapor

Saturación y condensación

Precipitación y formación de océanosHidrosfera

http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/3.htmlInterdependencia del sistema

atmósfera / hidrosfera

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: H2O (2)

Ambiental

Física

8

Océano 97%

Hielo 2.4%

Otros 0.6%

Subsuelo 97%

Ríos y lagos 3,3%

Atmósfera 1,7%

Masa 1.36·1021 kg

Contenido actual de la hidrosfera:dos órdenes de magnitud INFERIORal agua inyectada en ella

* Filtraciones en puntos de subducción* Fotodisociación UV

Déficit

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera.

OcéanosHielo

97 %2,4 %

Subsuelo 0,6 %

Ríos y lagos 0,02 %Atmósfera 0,001 %

Ambiental

Física

9

Manto superior

Corteza oceánica

Corteza continental

Océano

Zona de subducción

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Hidrosfera (2).

Ambiental

Física

Filtraciones hacia el manto

FILTRACIONES DE AGUA HACIA EL MANTO

10

Fotodisociación

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA. Fotodisociación agua

OOHH

HH104º

HH

HH

Molécula de agua

OO

OOHH

HHOO

HH

HH

Alta atmósfera, condiciones de baja presión

Producción de radicales, recombinación formando especies nuevas. En especial el hidrógeno tiende a escapar.

Fotones de alta energía

Ambiental

Física

11

Baja proporción actual de CO2

Almacenamiento de carbono: * Rocas, sales, combustibles fósiles* Atmósfera (CO2 libre) y océano (CO2 disuelto)* Biosfera

Presencia de oxígeno en la corteza terrestre:* Sales de hierro, carbonatos y bicarbonatos

Carbonatos: formados mediante reacciones de intercambio iónico (seres vivos)

H2CO3 + Ca++ CaCO3 + 2H +H2O + CO2 H2CO3

Estimación del contenido en carbono de la corteza terrestre

(unidades arbitrarias)

Fuente: John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey.

Academic Press. Tomado de P K Weyl, Oceanography.

John Wiley & Sons, NY, 1970

Biosfera marina 1

Biosfera terrestre 1

Atmósfera (CO2) 70

Océano (CO2 disuelto) 4000

Combustibles fósiles 800

Sales 800000

Carbonatos 2000000

FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: CO2

Procesos geológicos y biológicos

Ambiental

Física

12

335

330

325

320

315

Concentración CO2 (ppm)

1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974Año

Datos del observatorio de Mauna Loa (Hawaii). Adaptado de John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey.

ACTIVIDAD HUMANA y CO2 ATMOSFÉRICO

Incrementos de concentración desde 1750

Datos basados en http://zebu.uoregon.edu/1998/es202/l13.html

1750

Actual

280 ppm

360 ppm

29%

Ambiental

Física

Más información sobre ciclo del carbono: http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/klimawandel/carbondioxid/concentration.html

13

Predominio atmosférico del N2

El contenido original ha sido poco alterado a causa de su baja reactividad

Fijado alrededor del 20% en forma de nitratos (actividad biológica)

Otros componentes de la atmósfera

AZUFRE: Inyectado en atmósfera por erupcionesvolcánicas en forma de sulfuro

Lluvia ácida

Sulfatos enla corteza

GASES NOBLES: He, Ar Procedentes de desintegracionesradiactivas

NITRÓGENO Y COMPONENTES MINORITARIOS

Ambiental

Física

14

EL OXÍGENO

VIDA MARINA

Disociación del agua (UV) 2H2O 2H2 + O2

Fotosíntesis (luz visible) H2O + CO2 {CH2O} + O2

Primeros organismos

(ambiente reductor?) * 4109 años

Algas unicelularesliberación O2

2-3109 años

Producción O3 Reducción de UV

en superficie

VIDA EN TIERRA FIRME

Mayor liberación O2 4108 años

* Véase experimento de Miller en http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo9/4.html

FUENTES DEL OXÍGENO ATMOSFÉRICO

LA PRESENCIA DE O2 EN LA ATMÓSFERA ESTÁ LIGADA

A LOS PROCESOS BIOLÓGICOS

Ambiental

Física

15

ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE DESCRIBEN EL ESTADO DE LA ATMÓSFERA

Temperatura T Es la magnitud física que tiene el mismo valor en dos cuerpos que se hallan en equilibrio térmico (ausencia de transferencia neta entre ellos de energía en forma de calor).

La temperatura se mide con termómetros.

Unidad SI Kelvin (K)

Grado centígrado (ºC) K = ºC + 273.15

Se define el Kelvin como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua

Conversor de temperaturas:http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/temperatura.htm

Temperatura del aire: perfil vertical

La variación de la temperatura del aire con la altura en la atmósfera es el gradiente vertical de temperaturas (air lapse rate).

km

K

km

Cº

dz

dT

CASOS ESPECIALES

PROCESOS ADIABÁTICOS AIRE SECO

EN LA ATMÓSFERA ESTÁNDAR

km

Cº 8.9

dz

dT

km

Cº 5.6

dz

dT

Ambiental

Física

16

ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS QUE DESCRIBEN EL ESTADO DE LA ATMÓSFERA (2)

Conversor de presión:http://www.lenntech.com/espanol/Calculadoras/presión.htm

Presión P Magnitud física que expresa la acción de un fluido sobre la superficie de un sólido o líquido y es el cociente entre la fuerza normal a la superficie y el área de la superficie sobre la que se ejerce.

Unidad SI Pascal Se define el pascal como la presión ejercida por una fuerza de 1 N sobre 1 m2.

1 bar = 100 kPa

1 mb = 0.1 kPa

metro de columna de agua (m.c.a.) 1 m.c.a. = 0.9807 kPa

1 atm = 101.325 kPa 1 mmHg (1 torr) = 0.1333kPa

1 kg/cm2 = 98.07 kPa

Otras unidades

Ambiental

Física

17

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Por debajo de 100 km, para una altura dada, la presión está prácticamentesiempre dentro de un intervalo de un 30% de un valor estándar.

Ecuación de los fluidos: gdzdp

Variación vertical >> variación horizontalz

Densidad del aire decrece con la altura Ambiental

Física

Debida al peso de la columna de aire que se encuentra por encima de un lugar

A

B

BpAp

18

BP

BPgdzdP

z

Densidad proporcional a la presión

gdzdP El aire es un fluido compresible

dzBgP

dP zP

P

dzBgP

dP

00

H

zzBgPPLn

0Bg

H 1 )/exp(0

HzPP

kmH 7Depende de la masa molecular del gas

PRESIÓN ATMOSFÉRICA (2)

Ambiental

Física

19

Troposfera

grad T = -6.5 K·km-1

80% masa, 100% vapor de agua Cortos tiempos de permanencia de partículas

Estratosfera Muy seca, incremento concentración O3 Largos tiempos de permanencia de partículas

Mezcla vertical muy reducida

99.9% masa

Mesosfera 99% resto

1% resto Termosfera

Partículas cargadas (ionosfera)

Partículas cargadas y no cargadasColisiones muy poco frecuentes

TROPOPAUSA

ESTRATOPAUSA

MESOPAUSA

LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA

10 - 12 km

50 km

80 km

Ambiental

Física

20

Gráfica elaborada con datos de condiciones medias anuales en http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

6

8

10

12

14

16

18

Altu

ra (

km)

Latitud (grados)

ALTURA DE LA TROPOPAUSA

Troposfera

Estratosfera

Información adicional:Mapa de presiones en la tropopausa (valores medios entre 1983 y 1998) http://www.gfdl.noaa.gov/~tjr/TROPO/TROPO.html

* Latitud

En el ecuador se encuentra más elevada que en los polos

* Estación del año

Factores que influyen en altura de tropopausa

* Temperatura de la troposfera

En condiciones ambientales de bajas temperaturas, la tropopausa desciende debido a que en estos casos la convección es menor.

Ambiental

Física

21

ATMÓSFERA ESTÁNDAR

• La temperatura del aire a 0 metros (nivel del mar) es de 15 ºC (288.15 K)

• La presión atmosférica a 0 metros es de 1013.25 hPa

• El aire es seco y se comporta como un gas perfecto

• La aceleración de la gravedad es constante e igual a 980.665 cm/s2

• Desde el nivel del mar hasta los 11 km la temperatura decrece con la altura a razón de 6.5 ºC/km: T = 288.15 K -( 6.5 K/km)· H (H: altura en km)

• En este nivel la presión se estima mediante P = 1013.25 hPa ·(288.15 K/T)^-5.256

• Desde los 11 a los 20 km la temperatura se mantiene constante e igual a 216.65 K• En este nivel la presión se calcula como P = 226.32 hPa · exp(-0,1577·(H-11km))

• Desde los 20 a los 32 km la temperatura aumenta: T = 216.65 K + (H-20 km) (H: altura en km)

• En este nivel la presión se calcula: P = 54.75 hPa · (216.65K/T)^34.16319

Ambiental

Física

22

ATMÓSFERA ESTÁNDAR (2)

• Desde los 32 a los 47 km la temperatura aumenta según la relación T = 228.65 K + (2.8 K/km)·(H-32 km) (H: altura en km)

• En este nivel la presión se calcula mediante P = 8.68 hPa · (228.65 K/T)^12.2011

• Desde los 47 a los 51 km la temperatura se mantiene constante e igual a 270.65 K

• En este nivel la presión se calcula mediante P = 1.109 hPa · exp(-0,1262·(H-47km))

• Resto de niveles superiores puede verse en las siguientes referencias: A. Naya (Meteorología Superior en Espasa-Calpe); y, R.B.Stull (Meteorology for Scientists and Engineers)).

Calculadora de atmósfera estándar

Fuente: J. Almorox, http://www.eda.etsia.upm.es/climatologia/Presion/atmosferaestandar.htm

(hasta 86 km): http://www.digitaldutch.com/atmoscalc/

Ambiental

Física

23

20

40

60

80

100

120

140

160

10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 102 103101

Presión (mb)

Densidad (g/m3)

Recorrido libre medio (m)

Altura(km)

John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic PressAdaptado de CRC Handbook of Chemistry and Physics, 54th Edition. CRC Press (1973)

Gráfica elaborada con datos procedentes de

ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE PRESIONES

Distancia promedio recorrida por una molécula antes de sufrir una colisión con otra.

Agua líquida condiciones ambientales

106 g/m3

Ambiental

Física

24C

apa

hom

ogén

ea

Altura

(km)

500/1500 Temperatura (ºC)-50 0 50 100 150 200-100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

490

500

510

520 Exosfera

Termosfera

Mesosfera

Estratosfera

Troposfera

ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS

TROPOPAUSA

ESTRATOPAUSA

MESOPAUSA

TERMOPAUSA

Gráfico elaborado según datos de http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/images/profile_jpg_image.html

TERMOPAUSA

La temperatura en la termosfera depende mucho de la actividad solar y puede variar entre 500 ºC y 1500 ºC.

Ambiental

Física

25

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA ALTURA

1. Difusión debida a movimientos moleculares aleatorios

Tiende a producir una atmósfera en la que el peso molecular medio de la mezclade gases decrece con la altura, de forma que en los niveles superiores abundanlos gases más ligeros: cada gas constituyente se comporta como si sólo él estuviese presente, y la densidad de cada gas decae exponencialmente con la altura, pero la altura de referencia H es distinta para cada gas, pues la densidad de los gasesligeros decae más lentamente que la de los gases de mayor masa molecular (M).

)/exp(0

HzPP Bg

H 1

Altura

Mayor M, mayor B Menor M, menor B

Ambiental

Física

26

20

40

60

80

100

120

140

160

10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 102 103101

m

km

Recorrido libre medio vs altura

Cap

a ho

mog

énea

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA ALTURA (2)

2. Mezcla por movimientos convectivos

La convección tiende a homogeneizar la composición de la atmósfera. A niveles bajos el recorrido libre medio es tan pequeño que el tiempo necesario para separar componentes es mucho mayor que el que requieren las turbulencias para formar una mezcla homogénea.

Por tanto a niveles bajos la atmósfera es un sistema cuyos componentes se encuentran muy bien mezclados.

A partir de esta altura la mezcla por convección ya no es tan eficiente y se aprecian diferencias de composición en función de la altura.

Límite: aproximadamente a 100 km

Ambiental

Física

27

Velocidad más probable:mM

kTv

2

Velocidad de escape: aquella velocidad para la cual la energía cinética de unapartícula es suficiente para escapar al infinito desde el campo gravitatorio terrestre( a una altura de 0 km, la velocidad de escape es alrededor de 11 kms-1)

Velocidad más probable Hidrógeno 3 kms-1

Oxígeno 0.8 kms-1

Fracción de moléculas con velocidad igual a la de escape

10 -6

10 -84

ESCAPE DE GASES DE LA ATMÓSFERA

La temperatura a 500 km es de 600 ºC velocidad más probable 3 kms-1

Escape de gases ligeros a lo largo de las eras geológicas

Ambiental

Física

28

Aire en movimiento. Flujo de aire relacionado, entre otros factores, con diferencias de presión

... pero

rur

PPgrad

Gradientes de presión +

ru

El aire tiende a desplazarse CONTRA el gradiente de

presión

VIENTO

1024

10201016

Magnitud escalar

-grad P

Escalar

Posición

DIRECCIÓN DEL GRADIENTE: LA DE MÁXIMA VARIACIÓN DE LA PROPIEDAD ESCALAR

falta considerar la rotación de la Tierra!

Ambiental

Física

29

rvaa RR 2

Centrípeta

Coriolis

Aceleración medida en sistema en rotación

Aceleración medida en sistema en reposo

rvaa RR 2

Rv

Rv2

Rv 2

Polo Norte

RvRv 2

Trayectoria en un sistema de referencia inercial

Trayectoria en un sistema de referencia acelerado

EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA

Ambiental

Física

30

Rv 2

Rv2

Desviación a la derecha respecto al sentido del movimiento

Rv2

Rv 2

Desviación a la izquierda respecto al sentido del movimiento

N

S

Rv

Rv

DESVIACIÓN DE CORIOLISVisto sobre la superficie

Sentido del movimiento

Desviación de Coriolis

HEMISFERIO NORTE

HEMISFERIO SUR

Desviación de Coriolis

Sentido del movimiento

Ambiental

Física

31

1016

1020

1024

-grad P

Fuerza gradiente de presión

Fuerza Coriolis

Dirección del viento

Rv 2

Hemisferio norte: el viento geostrófico fluye paralelo a las isobaras dejando a su derecha las áreas de alta presión: sentido horario alrededor de los anticiclones

Viento geostrófico: resultante del equilibrio

entre el gradiente de presión y la aceleración

de Coriolis. Fluye PARALELO a las

isobaras

VIENTO GEOSTRÓFICO

Hemisferio sur: el viento geostrófico fluye paralelo a las isobaras dejando a su izquierda las áreas de alta presión: sentido antihorario alrededor de los anticiclones

Ambiental

Física

32

Hemisferio Norte: la fuerza de Coriolis provoca desviación hacia la derecha

A

En los anticiclones los vientos giran en sentido horario

B

En las borrascas los vientos giran en sentido antihorario

ANTICICLONES Y BORRASCAS

Hemisferio Sur: la fuerza de Coriolis provoca desviación hacia la izquierda

AEn los anticiclones los vientos giran en sentido antihorario

B En las borrascas los vientos giran en sentido horario

Ambiental

Física

33

BBBB Convergencia Intertropical

BB BB

BBBB

AA AAAA

AA AAAA

11

22

33

11 Célula polar 22 Célula de Ferrell 33 Célula de Hadley

Esquema de circulación atmosférica basado enhttp://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Trade_Winds/Trade_Winds.html

CIRCULACIÓN GENERAL ATMOSFÉRICA

Modelo simple

Aire descendente en los polos fríos y ascendente en las latitudes ecuatoriales cálidas

NO TIENE EN CUENTA LA ROTACIÓN DE LA TIERRA

Vientos polares del este

Alisios del noreste

Vientos del oeste

Alisios del sureste

Vientos del oeste

Vientos polares del este

Ambiental

Física

34

Círculo Polar Antártico

Círculo Polar Ártico

VIENTOS DEL OESTE CERCA DE REGIONES POLARES

ÁRTICO ANTÁRTICO

Relación con el agujero de ozono sobre la Antártida

Ambiental

Física

35

CONCEPTO DE CAPA LÍMITE

1

10

100

1000

10000

Alt

ura

(ord

en d

e m

agni

tud,

m)

CA

PA

RU

GO

SA

CA

PA

SU

PE

RF

ICIA

LC

AP

A

EX

TE

RN

A

TROPOPAUSA

CA

PA

LÍM

ITE

TR

OP

OS

FE

RA

RUGOSIDADES SUPERFICIALES

Turbulencia: vórtices y remolinos asociados a diversas causas

BASE DE LAS NUBES

La capa límite es la parte de la troposfera influida directamente por la superficie de la Tierra, y que responde a las fuerzas superficiales en una escala temporal de alrededor de una hora o menos.

Las fuerzas asociadas a la superficie de la Tierra incluyen fricción de arrastre, transferencia de calor, evaporación y transpiración, emisión de contaminantes y características del terreno que modifican el flujo.

Ambiental

Física

36

CAPA LIMITE PLANETARIA

Troposfera

PBL

(Planetary Boundary Layer, PBL, o Atmospheric Boundary Layer, ABL)

La capa límite planetaria es la capa

de la atmósfera (300 -3000 m de

espesor) que interactúa con la

superficie terrestre, y que es

influenciada por los intercambios de

energía y materia con dicha superficie

Los intercambios de energía y materia están relacionados con las turbulencias

Es una capa de mezcla

Dilución de contaminantes

Ambiental

Física

37

Salida del SolCalentamiento

superficialMezclado capa límite

Incremento continuo espesor capa límite

Puesta de Sol

VARIACIÓN DIARIA DE LA CAPA LÍMITE

Valores típicos al final de la tarde 1 km (0.2 km - 5 km)

Comienzo noche

Enfriamiento del suelo

Reducción o desaparición turbulencias

Reducción espesor capa

límite

Valores típicos 100 m (20 m - 500 m)

1 km

(0.

2 km

-5 k

m)

100 m (20 m - 500 m)

El viento, la temperatura y demás propiedades de la capa límite sufren

variaciones diarias menos acusadas sobre superficies extensas de agua (océanos y

grandes lagos) debido a la mayor capacidad calorífica de la capa de mezcla

sobre tales superficies.

Ambiental

Física

38

VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (CAPA LÍMITE)

El viento se caracteriza por su dirección (desde la cual sopla) y velocidad (magnitud vectorial,tres dimensiones). Normalmente se expresa en m/s.Los equipos que miden la velocidad del viento se llaman anemómetros

La fricción con la superficie terrestre hace que las capas más cercanas a la superficie circulan más lentas, generando un efecto de corte (cizalla) sobre la superficie (vegetación, suelo,…).

La fricción del aire con la superficie es uno de los mecanismos que generan turbulencia (turbulencia mecánica), esto es remolinos, que transportan calor, vapor de agua, CO2 y cantidad de movimiento.

La fricción es un proceso en el que interviene el viento y las características de la superficie a través de la capa límite

Ambiental

Física

39

VIENTO EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (2)

87.4

42.58.67ln2

zuu z

Perfil de velocidades

Debe especificarse la altura a la que se sitúen los anemómetros sobre el suelo: en agrometeorología la altura estándar es de 2 m.

El perfil de velocidades es logarítmico.

Una superficie especial: una superficie de gramíneas homogénea (cesped, por ejemplo). Encima de esta superficie el perfil de velocidades es

u2 velocidad del viento a una altura de 2 m (m/s)

uz velocidad del viento a la altura z (m/s)

z altura sobre la superficie del suelo (m)

La velocidad del viento depende de la altura sobre el suelo

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,50

2

4

6

8

10

12

14

16

Altu

ra z

(m

)

Velocidad uz (m/s)

Ambiental

Física

Para u2 = 1 m/s

40

TEMPERATURA DEL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE

Existe un ciclo diario de temperaturas

2minmax

mTT

T

Temperatura media diaria Tm

Temperatura máxima Tmax y mínima Tmin

TmaxTmax

Tmin

El momento en que se alcanza la temperatura máxima diaria está desfasado respecto al medidodía solar

Ambiental

Física

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

18

20

22

24

26

28

30

32

Te

mp

era

tura

ºC

Hora GMT

med

iodí

a

Tmin

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Te

mp

era

tura

ºC

Hora GMT

med

iodí

a

Salida de sol

Pue

sta

de s

ol

Salida de sol

Pue

sta

de s

ol

Día de verano 1 de agosto 98

Día de invierno 6 de enero 1999

Datos de temperatura medidos a 10 m

41

CICLO DIARIO DE TEMPERATURA Y HUMEDAD

100

80

60

40

35

30

25

20

Tem

per

atu

ra º

C

Hu

med

ad r

elat

iva

%

24211815129630

Hora

Presión de vapor de agua invariable a lo largo del día = 24 mb

Salida de sol med

iodí

a

42

CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS (EN ALTURA)

30 35 40 45 50T (ºC)

08:00

10:00

05:00

12:00

15:00

18:00

Altura

15 cm

30 cm

60 cm

1.20 m

10.0 m

2.40 m

-2 cm

-5 cm

-15 cm

Perfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)

Ambiental

Física

DEPENDENCIA CON LA ALTURA SOBRE EL SUELO Y LA PROFUNDIDAD

Consecuencia de efectos de mezclado en la capa límite

43

Temperatura y desarrollo biológico

El desarrollo de los organismos vivos está relacionado con la temperatura. Las hipótesis más usuales son:

El ritmo de desarrollo es proporcional a la temperatura

El desarrollo ocurre cuando se supera una temperatura umbral o temperatura base, Tb, que depende de cada organismo. Para temperaturas por debajo de Tb se detiene el desarrollo.

La temperatura no supera el valor para el que se produce el máximo crecimiento, Tm. Temperaturas superiores a Tm podrían inhibir o detener completamente el crecimiento.

Tiempo térmico (grados-día, grados-hora,…) [tiempo fisiológico]

Si se combina la temperatura y el tiempo durante el cual el organismo está expuesto a dicha temperatura se puede encontrar una escala en la cual el ritmo de desarrollo es constante.

Ambiental

Física

44

Temperatura y desarrollo biológico (2)

Tiempo térmico (grados-día, grados-hora,…)

tTT bi )( para Ti > Tb, en otro caso Δτ = 0

Δτ tiempo térmico (grados-día, grados-hora,… dependiendo del intervalo temporal considerado)

temperatura media en el intervalo temporal consideradoTi

temperatura umbral por debajo de la cual se interrumpe el crecimientoTb

Δt intervalo temporal considerado (día, hora,…)

Para el caso específico de intervalo diario, Δt = 1 día

n

ib

i

minmax TTT

1 2 b

minmax TTT

2

si se cumple

Ambiental

Física

45

Día Tmax Tmin

188 23,3 12,2189 23,9 9,4190 17,2 6,1191 21,1 7,8192 23,3 10,6193 29,4 12,8194 22,6 13,3195 15,0 5,6196 18,9 6,7197 17,2 10,0198 20,0 8,3199 25,6 10,0

Un cultivo tiene una temperatura base de 11ºC y requiere de un tiempo térmico de 40 grados-día para su emergencia. ¿Qué día germinará si ha sido plantado el día 188?. Usar los datos de la tabla.

EJEMPLO

6,812,413,116,522,532,639,5

41,343,947,153,9

41,3-0,7

17,816,711,714,517,021,118,010,312,813,614,217,8

Ti

6,85,70,63,56,0

10,17,0

-0,71,82,63,26,8

Ti -Tb

Temperatura y desarrollo biológico (3)

n

ib

i

minmax TTT

1 2

Periodo diario, usamos:

i

minmaxi

TTT

2

PRIMER VALOR > 40 ºC·DÍA196

Día de germinación del cultivo

Ambiental

Física

46

CICLO DEL AGUA

Océanos

Atmósfera

1350·1015 m3

13·1012 m3

Eva

pora

ción

361·

1012

m3 /

año

Prec

ipit

ació

n

324·

1012

m3 /

año

Tierras

33.6·1015 m3

37·1

012 m

3 /añ

o

Agu

as

supe

rfic

iale

s y

subt

errá

neas

Evaporación y transpiración

62·1012 m3/año

99·1012 m3/año

Precipitación

361·1012 m3/año

62·1012 m3/año

423·1012 m3/año

324·1012 m3/año

99·1012 m3/año

423·1012 m3/año

BALANCE ATMÓSFERA

Basado enhttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/hyd/bdgt.rxml

Ambiental

Física

47

Estratos impermeables

Percolación profunda

Flujo superficial

Océano

Escorrentía

Flujo superficial

Movimiento aguas subterráneas

Nivel freático

Infiltración

Intrusiones salinas

Precipitación en tierra

100

Evaporación desde tierra

68

Evaporación

Vegetación

Suelo

Embalse

31 Evaporación desde océano

428

396

Precipitación sobre océano

32

CICLO DEL AGUA (2)

Basado en Britannica 2004

Flujos en unidades de 1012 m3/año

DETALLE DE MOVIMIENTOS DE AGUA EN LA BIOSFERA

Ambiental

Física

Intercepción y transpiración

1

48

PRECIPITACIÓN

LLUVIA

Caída enla superficie

Evaporada enla atmósfera

Interceptada porla vegetación

Drenadahacia el suelo

Almacenamientoy evaporaciónCorrientes

superficiales

Estancadas yevaporadas

Infiltradaen suelo

Percolaciónprofunda

Retenidaen suelo

Almacenamientosubterráneo

Crecimientovegetación

No usadavegetación

No usada

Ambiental

Física

49

1 m

1 m

1 m2

1 litro

1 mm

PRECIPITACIÓN EN MILÍMETROS = LITROS / m2

PRECIPITACIÓN. SU MEDIDA

PLUVIÓMETRO

Los pluviómetros lectura directa tienen un recipiente y un embudo. Cada 12 horas se vacía el recipiente en una probeta graduada con una sección diez veces menor que la de recepción, con lo que es posible establecer una relación entre la altura en la probeta y la precipitación en milímetros por metro cuadrado.

Ambiental

Física

50

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO

1940-1960 26 25 32 38 50 28 8 18 35 47 22 28 357

1961-1990 24 26 30 52 41 38 9 13 25 40 39 30 366

1991-2000 19 28 22 28 47 35 13 11 49 39 28 34 354

2001 29 14 18 17 62 0 0 0 25 37 37 28 267

2002 13 2 31 65 51 63 0 24 28 38 33 26 374

ALBACETE/LOS LLANOS

Coordenadas: 39-00-25N 1-57-08W Altitud: 704m

Datos de precipitación (mm)

http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html

PRECIPITACIÓN. EJEMPLO

Ambiental

Física

51

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC0

10

20

30

40

50P

reci

pita

ció

n (

mm

)

Meses

B C D

1940-1960

1961-1990

1991-2000

MEDIAS MENSUALES DE PRECIPITACIÓN. ALBACETE/LOS LLANOS

Fuente: datos en http://www.sao-albacete.org/tablaP8175.html

Ambiental

Física

52

Sobre aceleración de Coriolis (idioma inglés)http://zebu.uoregon.edu/~js/glossary/coriolis_effect.htmlhttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/fw/crls.rxml

Sobre anticiclones y borrascashttp://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/anticicl.htmhttp://vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/borrasca.htm

Sobre CO2 en la atmósfera (idioma inglés):http://www.iitap.iastate.edu/gccourse/chem/gases/gases_lecture_es.html

Libros (inglés)

BIBLIOGRAFÍA y DOCUMENTACIÓN

S. Pal Arya, Introduction to Micrometeorology, 2th Edition. University Press.

Roland B. Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers

John M. Wallace y Peter V. Hobbs, Atmospheric Science: an introductory survey. Academic Press

Ambiental

Física

Revisión general sobre características de la atmósfera (muy completo; idioma inglés)http://ceos.cnes.fr:8100/cdrom-98/ceos1/science/dg/dgcon.htm

La atmósfera en capítulo 3 y ciclos de los elementos en capítulo 4.http://www.esi.unav.es/asignaturas/ecologia/Hipertexto/00General/IndiceGral.html

Discusión sobre el origen del oxígeno atmosférico: http://matap.dmae.upm.es/Astrobiologia/Curso_online_UPC/capitulo11/10.html