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Introducción a las Ciencias de la
Atmósfera y los Océanos
Calentando la Tierra y la
Atmósfera
M. Elizabeth Castañeda 2011
�� EnergEnergíía es la habilidad para realizar a es la habilidad para realizar
trabajo (empujar, tirar, levantar) sobre trabajo (empujar, tirar, levantar) sobre
alguna forma de materia.alguna forma de materia.
�� La La energenergíía potenciala potencial es el potencial de es el potencial de
realizar trabajo (masa x gravedad x altura) realizar trabajo (masa x gravedad x altura)
�� La La energenergíía cina cinééticatica es la energes la energíía de un a de un
objeto en movimiento (la mitad de la masa objeto en movimiento (la mitad de la masa
x velocidad al cuadrado)x velocidad al cuadrado)
�� EnergEnergíía cala calóóricarica: forma de energforma de energíía que se a que se
transfiere entre las parttransfiere entre las partíículas en una culas en una
sustancia (o sistema) por medio de la sustancia (o sistema) por medio de la
energenergíía cina cinéética de las parttica de las partíículas. En otras culas. En otras
palabras, segpalabras, segúún la teorn la teoríía cina cinéética, el calor tica, el calor
es transferido por las partes transferido por las partíículas chocando culas chocando
unas entre otras.unas entre otras.
�� EnergEnergíía radiantea radiante..
La energía no puede ser creada ni destruida.
Ley de Conservación de Energía, o Primera Ley de la Termodinámica.
Temperatura y Calor Transferido
Medida de la energía cinética media
de los átomos y las moléculas.
Medida de la velocidad media de los átomos y las moléculas,
donde las mas altas temperaturas corresponden a
velocidades medias mayores.
Temperatura y Calor Transferido
� La atmósfera contiene energía interna, que es la energía total almacenada en sus moléculas.
+ =
Temperatura y Calor Transferido
� La atmósfera contiene energía interna, que es la energía total almacenada en sus moléculas.
� El calor es la energía en el proceso de su transferencia de un objeto a otro, o de una parte de un objeto a otra, debido a una diferencia de temperatura.
� Después de ser transferido, el calor se almacena como energía interna.
Escalas de Temperatura
Anders Celsius (1701 - 1744)
Daniel Fahrenheit (1686 - 1736)
Lord Kelvin (1824-1907)
Las relaciones entre las escalas son:
°F = (1.8 x °C) + 32 °C = (°F – 32) / 1.8
°C = K – 273 K = °+ 273
Calor Específico
La capacidad calorífica de una sustancia es el cociente
entre la cantidad de energía calórica absorbida por la
sustancia y su correspondiente aumento de temperatura.
Calor especifico: capacidad calorífica de una sustancia
por unidad de masa.
Calor específico es la cantidad de calor necesaria
para elevar la temperatura de 1 gramo de
sustancia en 1 grado Celsius.
Caloría es la cantidad de calor requerida para elevar la
temperatura de 1 g de agua desde 14.51°C a 15.51°C.
7940.19Granito
7950.19Arena
10050.24Aire seco (a nivel del
mar)
13810.33Arcilla
20930.50Hielo (°C)
25120.60Barro
41861.00Agua (pura)
J (KG x °C)Calor especifico
(Cal/g x °C)
Sustancia
Calor Latente
Cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo al cambiar de estado.
Durante el cambio de estado no se modifica la temperatura del cuerpo.
Calor Sensible
Cantidad de calor que cede o
absorbe un cuerpo sin cambiar de
estado. Puede ser detectado a
través del cambio de temperatura
del cuerpo.
Calor necesario para la
evaporación (líquido � gas)
Calor latente de evaporaciCalor latente de evaporacióónn
La transferencia de calor puede realizarse a La transferencia de calor puede realizarse a
travtravéés de tres mecanismos fs de tres mecanismos fíísicos:sicos:
•• ConducciConduccióónn
•• ConvecciConveccióónn
•• RadiaciRadiacióónn
Es la transferencia de calor de una molEs la transferencia de calor de una moléécula a cula a
otra en una sustanciaotra en una sustancia
ConducciConduccióón: n:
-- La energLa energíía viaja de lo caliente a lo fra viaja de lo caliente a lo fríío.o.
-- El aire es un mal conductor, el metal es un buen El aire es un mal conductor, el metal es un buen
conductor.conductor.
ConducciConduccióón: n:
La capacidad de conducciLa capacidad de conduccióón del calor es diferente para los n del calor es diferente para los distintos y depende de las caracterdistintos y depende de las caracteríísticas moleculares de sticas moleculares de cada uno.cada uno.
aire 0.023
madera 0.08
suelo seco 0.25
agua 0.60 (20°C)
nieve 0.63
suelo húmedo 2.1
hielo 2.1
granito 2.7
hierro 80
plata 427
material Conductividad
(Watt m-1 °C-1)
La conducción de calor es importante
sólo entre la superficie terrestre y el
aire en contacto inmediato con la
superficie.
Por lo tanto, el aire es un Por lo tanto, el aire es un mal conductormal conductor del calor.del calor.
ConvecciConveccióón: n:
Es la transferencia de calor por el
movimiento de masa de un fluido
(como el agua y el aire).
Este tipo de transferencia de calor tiene lugar en
líquidos y gases, ya que pueden moverse
libremente y es posible la creación de corrientes
dentro de ellos.
En nuestra atmósfera, el aire que asciende se
expande y se enfría, y el aire que desciende se
comprime y se calienta.
Radiación
• La energía del sol se desplaza por el espacio y la
atmósfera en forma de una onda (ondas
electromagnéticas) y se llama radiación.
Debido a que estas ondas tienen propiedades magnéticas y
eléctricas, se llaman ondas electromagnéticas.
• En vacío, estas ondas viajan a una velocidad de
300.000 km/s (velocidad de la luz).
En física, una onda es una propagación de una perturbación de
alguna propiedad de un medio
•Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta
y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas
cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el
paso del tiempo.
•Período: El periodo es el tiempo que tarda la onda de ir de
un punto de máxima amplitud al siguiente.
•Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha
vibración en otras palabras es una simple repetición de
valores por un período determinado.
•Longitud de onda: Distancia que hay entre dos crestas
consecutivas.
onda
distancia
A
λ : longitud de onda
A: amplitud
frecuencia
1Periodo =
Frecuencia angular
f 2 ω T
ππ
2==
f(x,t) = Asin(ωt − kx))Número de onda
2
k λ
π=
f k
ω c
fk ω
λ
λ
==
=
frecuencia (f) = nfrecuencia (f) = núúmero de crestas que pasan mero de crestas que pasan
por un punto dado en 1 por un punto dado en 1 segseg
cuanto mayor es la longitud de onda
menor es su frecuencia
c = λ f
Todas las cosas, sin
importar cuán grandes o
pequeñas sean, emiten
radiación. El aire, nuestro
cuerpo, flores, árboles, la
Tierra, las estrellas, etc. La
energía se origina de la
rápida vibración de los
billones de electrones que
componen cualquier
objeto.
� Ley de Stefan-Boltzmann
� Describe la energía total emitida por un cuerpo,
directamente proporcional a la potencia cuarta de la
temperatura.
Josef Stefan (1835 - 1893)
Ludwig Boltzmann(1844 - 1906)
II = = σσ TT44
��Unidades: Unidades: Densidad de flujoDensidad de flujo en W/men W/m22, T en Kelvin, T en Kelvin
��constante de constante de StefanStefan--BoltzmanBoltzman ((σσ) = 5.67 x 10) = 5.67 x 10--8 8 WmWm--22 KK--44
El sol irradia mas energía que la Tierra (el área bajo la curva).
Además, irradia la mayor parte de su energía en longitudes de
onda mucho más cortas.
� Ley de Wien
• Describe la longitud de onda de máximo de
energía emitida.
Wilhelm Carl Werner Otto
Fritz Franz Wien (1864 - 1928)
λλmaxmax = = ββ/ T/ T
ββ = 2897.7= 2897.7 µµmm KK, ,
T en KelvinT en Kelvin
Aunque el Sol irradia a una tasa máxima en una longitud de onda particular, sin
embargo emite algo de radiación en casi todas las otras longitudes de onda . Si
vemos la cantidad de radiación emitida por el sol en cada longitud de onda,
obtenemos el espectro electromagnespectro electromagnéético del Soltico del Sol.
Alrededor del 44% de la energAlrededor del 44% de la energíía del Sol es emitida en a del Sol es emitida en
longitudes de onda en la regilongitudes de onda en la regióónn vviissiibbllee. M. Mááximo en ximo en
azulazul--verdeverde..
La longitud de onda mLa longitud de onda máás corta dentro del visible s corta dentro del visible
corresponde al color corresponde al color violetavioleta (0.4(0.4 mm).mm).
Longitudes de onda mLongitudes de onda máás cortas que el s cortas que el violetavioleta son las son las
longitudes de ondas longitudes de ondas ultravioletasultravioletas..
La longitud de onda mLa longitud de onda máás larga dentro del visible s larga dentro del visible
corresponde al color corresponde al color rojorojo..
Longitudes de onda mLongitudes de onda máás largas que el s largas que el rojorojo son las son las
longitudes de ondas longitudes de ondas infrarrojasinfrarrojas (IR).(IR).
La radiación solar que llega a la
atmósfera puede ser dispersada,
reflejada o
absorbida por sus componentes.
CUERPO NEGROCUERPO NEGRO
Es un cuerpo que emite (o absorbe) radiación
electromagnética con un 100% de eficiencia en
todas las longitudes de onda.
La superficie terrestre y el Sol absorben y emiten
radiación con una eficiencia cercana al 100% y pueden
ser considerados cuerpos negros.
La radiación emitida por un cuerpo negro se
denomina radiaciradiacióón de cuerpo negron de cuerpo negro..
FLUJOFLUJO
Es la cantidad de energía o material que atraviesa
un área determinada en forma perpendicular en
una unidad de tiempo. Depende de la distancia a la
fuente de energía.
minmin
][
1855.41
1
1
222
2
2
2
2
ly
cm
cal
ms
J
m
W
area
energiadeFlujoIntensidadoFlujodeDensidad
Wattseg
JouleFlujo
tiempo
energiaenergiadeFlujo
Joulescaloria
s
mkgm
s
mkg
Joule
s
mkgFuerzaNewton
=×
≈×
=≈
≈=
==
=
=
=××≈××=
=×=
×≈×==
distancianaceleraciomasa
distanciaFuerza
naceleraciomasa
Ley del cuadrado inversoLey del cuadrado inverso
La cantidad de radiación que
pasa a través de un área
específica es inversamente
proporcional al cuadrado de
la distancia de esa zona de la
fuente de energía. Este
fenómeno se llama la Ley del
inverso del cuadrado. Con
esta ley podemos modelar el
efecto que tiene la distancia
recorrida en la intensidad de
la radiación emitida por un
cuerpo como el sol.
Absorbentes selectivos
Los buenos absorbentes son buenos emisores en una Los buenos absorbentes son buenos emisores en una
longitud de onda particular, y los pobres absorbentes son longitud de onda particular, y los pobres absorbentes son
pobres emisores en la misma longitud de onda. pobres emisores en la misma longitud de onda.
Estrictamente hablando, esta ley sEstrictamente hablando, esta ley sóólo se aplica a los gaseslo se aplica a los gases.
Ley de Kirchhoff
SSóólo el 19% de la lo el 19% de la
radiaciradiacióón solar n solar
entrante es absorbida entrante es absorbida
por los gases en la por los gases en la
atmatmóósfera.sfera.
Por lo tanto, la Por lo tanto, la
atmatmóósfera es bastante sfera es bastante
transparente a la transparente a la
radiaciradiacióón solar n solar
entrante.entrante.
El efecto invernadero atmosférico se debe a que el vapor de agua, CO2 y otros
gases son absorbentes selectivos. Ellos permiten que la mayor parte de la
radiación solar llegue a la superficie, pero absorben una buena parte de la
radiación infrarroja saliente de la tierra, evitando que escape al espacio. Es el
efecto invernadero atmosfefecto invernadero atmosfééricorico, entonces, el que mantiene la temperatura de
nuestro planeta en un nivel donde la vida puede sobrevivir.
Los gases atmosféricos dispersan más efectivamente las
longitudes de onda más cortas (violeta, azul y verde)
que las más largas (amarillo, naranja y rojo ).
El cielo se ve mayormente azul.
Es el mecanismo de dispersión dominante en la alta
atmósfera.
Por qué se ve el cielo azul y no
violeta o verde?
la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano
(que en definitiva es el que capta las imágenes -aunque el cerebro
las interprete-), es más sensible a la luz azul que a la violeta.
� La fracción de la radiación reflejada por la superficie terrestre se denominaalbedo.
� Depende por ejemplo, de la naturaleza de la superficie y la inclinación de los rayos solares.
Albedo típico de diferentes superficies
SUPERFICIE ALBEDO
(PORCENTAJE)
nieve fresca 75-95
nubes (espesas) 60-90
nubes (delgadas) 30-50
Venus 78
hielo 30-40
arena 15-45
Tierra y atmósfera 30
Marte 17
campos de hierba natural 10-30
campo arado, seco 5-20
agua 10 (promedio diario)
bosque 3-10
Luna 7
19 unidades son absorbidas por las nubes y gases
atmosféricos
• la dispersión de la atmósfera (6)
• la reflexión de las nubes (20)
• el suelo (4)
30 unidades son devueltas al espacio a causa de:
Considerando que al tope de la atmConsiderando que al tope de la atmóósfera llegan sfera llegan 100
unidades de radiaciunidades de radiacióón solar:n solar:
51 unidades de radiación llegan a la superficie terrestre
26 son dispersadas por la atmósfera como radiación difusa hacia
la superficie terrestre
25 de estas unidades llegan directamente a la superficie
terrestre