Dinámica de las masas fluidas.

Tema 4. Parte I.

Índice.• Composición y estructura de la atmósfera.• El balance energético.• Dinámica atmosférica.• Presión, humedad.• Convección, advección.• Gradientes de temperatura.• Fenómenos aerológicos.• Nubes y precipitación.• Circulación general de la atmósfera.

• Transporte de energía por las masas fluidas.

Glaciares yneveros

Atmósfera

Biosfera

Masas de agua dulce

( )( )

139 Transporte de energía por las masas fluidas.190

Movimientos de las masas debido a gradientes.◦ Verticales: de presión, temperatura.◦ Horizontales: de salinidad, presión.

Los gradientes son diferencias que existen entre dos puntos en alguno de los parámetros atmosféricos.

140191 Transporte de energía por las masas fluidas.

Composición y estructura.

La atmósfera es la envoltura gaseosa de la Tierra (y por extensión de otros planetas).

1ª fase. 4500m.a. •Envoltura de Hidrógeno y Helio.

•Esos son los compuestos más abundantes en el origen del Sistema Solar.•Son compuestos volátiles que eran barridos por el viento solar.

2ª fase. 4400m.a. •Atmósfera reductora (pobre en O).

• Se produce un aumento de la actividad volcánica,• Aumenta su concentración progresivamente en CO2, CO, CH3, NH3 y H2O.

3ª fase. 2500m.a. •Atmósfera oxidante (rica en O).

• La actividad de los primeros organismos fotosintéticos (estromatolitos) disminuyen la concentración de CO2 y aumentan la de oxígeno (O2 y O3).

141192

78%

21%

1%Composición

NitrógenoOxígenoResto

Argón 0,93%

Dióxido de Carbono 0,038%Otros gases 0,032%

También existen partículas sólidas y líquidas en suspensión. Pese a la baja concentración de éstos, son vitales. Ej. Polvo atmosférico actúa como núcleo de condensación.

141192 Composición y estructura.

Las características y composición actuales de la atmósfera son resultado de la interacción entre los componentes del sistema Tierra.

La mayor proximidad al Sol supondría un barrido mayor por el viento solar.

Un planeta de masa menor, no tendría gravedad suficiente para mantener los gases de la atmósfera. Un planeta con masa superior, presentaría una densidad y presión atmosféricas también mayores.

De no existir organismos fotosintéticos, la composición sería muy distinta. Y en consecuencia la temperatura del planeta cambiaría.

x Composición y estructura.

Gracias a su composición, la atmósfera cumple una importante función protectora.

1. Impide la caída de meteoritos a la superficie terrestre (mesosfera).

2. Absorbe la radiación ionizante (magnetosfera).3. Absorbe los rayos UV (estratosferacapa de

ozono).

Así como una función reguladora, gracias al balance energético del planeta. (Lo veremos en el apartado “balance energético”).

141 Composición y estructura.193

Atendiendo a criterios más estrictos de densidad, temperatura, composición… podemos establecer más de 2 capas concéntricas superpuestas, separadas por estrechas zonas de transición denominadas pausas.

141 Composición y estructura.

De forma general podemos dividir la atmósfera en dos capas: - La HOMOSFERA: hasta 80 km de altitud, donde los gases se encuentran bien mezclados, y - La HETEROSFERA: A partir de esa cota. Los gases tienden a estratificarse en función de su densidad.

193

141 Composición y estructura.193

TROPOSFERA:-Capa inferior, llega hasta 11km polos, 15km ecuador.- Movimientos por convección y fenómenos meteorológicos.- Casi la totalidad de CO2 y O2 está aquí (por estar en contacto con biosfera).- Descenso de la temperatura progresivo.

Composición y estructura.141193

Composición y estructura.

ESTRATOSFERA:- Después de la tropopausa. De los 15 a los 50km de altitud.- Movimientos de aire de carácter horizontal.- Aquí se encuentra la capa de ozono (O3) (a partir de los 25km y con un espesor de mm).- Aumenta la temperatura progresivamente.

143194

El ozono se crea y destruye por la serie de reacciones de Chapman.PRODUCCIÓN NATURAL DE OZONO

Molécula de oxígeno (O2)

2 átomos de oxígeno (O)

Radiación UV

2 átomos de oxígeno (O)

2 moléculas de oxígeno (O2)

Molécula de ozono

(O3)

Radiación UV

Molécula de ozono

(O3)

Molécula de oxígeno (O2) y átomo de oxígeno

(O)

Molécula de ozono (O3) y átomo de

oxígeno (O)2 moléculas de

oxígeno (O2)

DESTRUCCIÓN NATURAL DE OZONO

Esta última reacción es muy lenta, por eso no desaparece la capa de ozono.

143194

Composición y estructura.

MESOSFERA:- Hasta los 80km de altitud. Entre la estratopausa y la mesopausa.- Se enriquece en compuestos ligeros que se estratifican según su masa.- La temperatura desciende hasta alcanzar el mínimo en la atmósfera.- En la MESOPAUSA se pueden formar nubes noctilucentes, y es donde los meteoritos se tornan incandescentes.

143194

Composición y estructura.

Nubes noctilucentes

Composición y estructura.

IONOSFERA o TERMOSFERA:- Hasta los 600km de altitud.- La moléculas de los gases se ionizan por los rayos UV, X, protones y neutrones.- La excitación energética genera altas temperaturas en la capa.

-Por encima se encuentra la EXOSFERA, hasta los 800km aprox. donde la densidad de la atm se igual con la del espacio.

143194

Composición y estructura.

MAGNETOSFERA (campo magnético terrestre):

- Hasta los 60.000km en la cara iluminada. Hasta 300.000km en la opuesta (viento solar barre partículas).- Aquí se producen las auroras boreales y australes.- Actúa como escudo frente al viento solar.-(incluye la exosfera desde los 800km a límites variables según autores, donde la densidad de la atmósfera se iguala con la del espacio).

x

Composición y estructura.

El balance energético.

El balance entre la radiación recibida por nuestro planeta y la emitida es uno de los procesos que ha permitido el desarrollo de la vida en nuestro planeta tal y como la conocemos.

Transmisión de calor

Conducción

Propagación de calor debido a la agitación

térmica de las moléculas, no existiendo un

desplazamiento real de éstas.

Convección

Transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este

fenómeno sólo podrá producirse en

fluidos.

Radiación

Transmisión de calor entre dos cuerpos sin que entre ellos exista contacto ni conexión

por otro sólido conductor. Es una

forma de emisión de ondas

electromagnéticas

x

Una de las formas más eficaces de almacenamiento energético y evacuación del calor es la evaporación-condensación del agua en la atmósfera. Durante un cambio de estado, un cuerpo absorbe energía, pero su temperatura no varía, pues esa energía es empleada en producir esa reorganización molecular.

El balance energético.

Denominamos calor latente a la energía necesaria para producir un cambio de estado en una cantidad de materia concreta.Esa energía es acumulada cuando el agua pasa de líquido a gas (evaporación), y se libera al pasar de gas a líquido (condensación).

x

El balance energético.

100

25

25

5

30

45 5 24 104

100

29

4

12

70

88

25

Emitida por la atmósfera

170196

El balance energético.

“El rollo” por escrito… EL EFECTO INVERNADEROEl balance energético de la Tierra depende, además de la radiación solar incidente, de las características físico-químicas de la atmósfera, lo que da lugar a las especiales condiciones térmicas de nuestro planeta, que lo hacen apto para la vida.

Los sistemas de absorción, reflexión y dispersión de radiación son los que generan el balance energético. Se trata de un equilibrio entre la energía recibida del Sol, y la energía radiante de la Tierra, lo que produce el beneicioso efecto invernadero. Sin él, la temperatura media en la Tierra sería de -20ºC, y no 15ºC.

La radiación solar de onda corta que llega a nuestro planeta puede ser reflejada directamente por la atmósfera, o atravesarla y ser reflejada por la superficie terrestre.Otra opción es que sea absorbida por la atmósfera o por la superficie terrestre (suelo y océanos), los cuales se calientan. Posteriormente puede ser reemitida al espacio en forma de radiación infrarroja.

x

La atmósfera.El balance energético.

“El rollo” por escrito… EL EFECTO INVERNADEROLa atmósfera es opaca a la mayoría de radiación infrarroja, de modo que es absorbida por los gases atmosféricos (de efecto invernadero), principalmente el vapor de agua, el dióxido de carbono, metano, y en menor medida ozono, óxido nitroso, y otros. Esto provoca el calentamiento de la atmósfera.

Ese calor es reemitido y radiado una parte al espacio, y otra, la mayoría, hacia la superficie terrestre (contrarradiación) generando el llamado EFECTO INVERNADERO.

Esta compensación energética se cumple a escala global, pero no a nivel local. En latitudes superiores a 45º la Tierra recibe menos energía de la que pierde, y a la inversa en latitudes inferiores a 45º. Este desequilibrio genera y alimenta la circulación general de la atmósfera y las corrientes oceánicas, que distribuyen calor por el planeta. Lo veremos más adelante.

x

Por tanto, la atmósfera también cumple una importante función reguladora.

1. Absorbe y retiene parte de la radiación IR emitida por la Tierra (Efecto Invernadero).

2. Realiza una compensación de desequilibrios térmicos (“verticales”) mediante convección.

3. Realiza un transporte de energía (“horizontal”) con el transporte de masa de aire.

4. Intercambia gran cantidad de calor con el océano (agua tiene una alta inercia térmica).

Dinámica atmosférica.

La meteorología es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren en las capas bajas de la atmósfera.

Para ello recaban datos relativos a diferentes parámetros como temperatura, presión, humedad, viento o precipitaciones.

Esos datos son luego integrados mediante el software adecuado para realizar predicciones, modelos y simulaciones.

x

Dinámica atmosférica.

El fin último de la meteorología es crear modelos, con todos esos datos recogidos.

Pueden ser modelos digitales, como las simulaciones, que hagan predicciones del tiempo.

También pueden ser modelos como mapas, que representan el estado atmosférico de una zona, o las predicciones hechas, a modo de resumen.

Al calentar un fluido, éste aumenta su volumen.

Al aumentar el volumen, su densidad disminuye.

Al tener menos densidad que el fluido que le rodea, asciende.

El fluido que está encima, más denso, desciende. Para ser calentado posteriormente por el foco de calor.

Densidad: es la cantidad de materia por unidad de volumen. D = m/v

Al tener más volumen, esas partículas de materia tienen más espacio para repartirse.

Dinámica atmosférica.144

Los movimientos verticales en la troposfera se deben a gradientes:A. DE TEMPERATURA: CONVECCIÓN TÉRMICA.

197

EFECTO DEL CALOR

1

2 3

4

Dinámica atmosférica.

•Grado de saturación: Máxima cantidad de agua que puede contener un volumen de aire a una P y T dadas. Por encima de tal valor, se inicia la condensación. El punto de rocío es la temperatura a al que se alcanza esa saturación.

•Humedad absoluta: Cantidad efectiva de vapor de agua que contiene un determinado volumen de aire.

•Humedad relativa: relación entre la humedad absoluta y el grado de saturación. Es el valor más utilizado en meteorología para expresar la humedad.

•La convección por humedad se debe a la menor densidad del aire húmedo, que contiene mayor proporción de H2O, y menos CO2, O2 o N2.

Humedad

•Fuerza por unidad de superficie ejercida por el aire sobre la Tierra. •Determinada por Torricelli, quien demostró que a nivel del mar, 1 atm = 166

mmHg•Dado que es la masa de los gases la que genera tal presión, es obvio que

ésta disminuye con la altitud.•Se representa cartográficamente trazando isobaras, que unen puntos con la

misma presión.

PresiónAtmosf.

144

C. DE PRESIÓN: CONVECCIÓN POR CAMBIOS DE PRESIÓN.

B. DE HUMEDAD: CONVECCIÓN POR HUMEDAD.

Dinámica atmosférica.197

+ altitud- presión- compresión

- altitud+ presión+ compresión

Dinámica atmosférica.

Masa de

aire

Se enfríacondensació

n

144197

Dinámica atmosférica.

•Ascenso térmico.•Convergencia.•Ascenso orográfico.•Subsidencia.

Convección

(vertical)

•Movimiento HORIZONTAL de las masas de aire desde zonas de alta presión (anticiclón) a zonas de baja presión (borrasca).

Advección(horizontal)

Ya dijimos los dos tipos de movimientos que existen. Vamos a verlos más a fondo.

Dinámica atmosférica.

Aquí se formaría una

borrasca.

ASCENSO TÉRMICO:La superficie recibe insolación y se calienta. Cede calor a la masa de aire con la que se encuentra en contacto, y esta se calienta. Aumenta su volumen, disminuye su densidad y asciende.

Dinámica atmosférica.

CONVERGENCIA:Masas de aire de similares características de humedad y temperatura chocan. En la zona de choque se genera un flujo ascendente, creándose una borrasca.

Dinámica atmosférica.

ASCENSO OROGRÁFICO:

La masa de aire es forzada a ascender

ladera arriba, debido al empuje que sufre. Durante el ascenso

puede darse la condensación de la masa

de aire, siendo esa la ladera húmeda.

Ladera húmeda

Ladera seca

Aquí se formaría un anticiclón.

SUBSIDENCIA:La masa de aire en altura es más densa/fría que el aire que la rodea. Por ello desciende hasta igualar sus condiciones con las del entorno.

La atmósfera.Dinámica atmosférica.

Empuje y escapeSucción

145198

Dinámica atmosférica.

Fuente: https://geografia2bachillerato.wordpress.com/2011/11/22/la-formacion-de-las-borrascas/

145198

Borrasca

Se dan movimientos horizontales de las zonas de alta presión a las de baja presión.

Dinámica atmosférica.

Es la variación de temperatura entre dos puntos situados a 100 m.Variación vertical en la Tº en condiciones estáticas o

de reposo (aprox. 0’65ºC/100m).Inversión térmica espacio aéreo en el que la temperatura aumenta con la altura en lugar de

disminuir. Impiden movimientos verticales de las masas de aire, por estar el más denso situado sobre

el menos denso. La tropopausa es una inversión permanente.

GRADIENTE TÉRMICO

Gradiente Vertical de Temperatura (GVT)

Se denomina seco porque la masa lleva agua en forma de vapor (no hay nube). Es dinámico,

porque la masa está ascendiendo o descendiendo (se mueve), a fin de igualar sus condiciones de Tº

con el aire que la rodea. (aprox. 1ºC/100m).

Gradiente Adiabático Seco (GAS)

La masa de aire ascendente en GAS, alcanza el punto de rocío y se condensa el vapor de agua

(nube). Con la condensación se libera calor latente por lo que el gradiente será menor

(0’3-0’6ºC/100m). Éste irá aumentando al perder humedad, hasta volver a GAH.

Gradiente Adiabático Húmedo (GAH)

171200

Dinámica atmosférica.

¿Para qué sirven los gradientes? (Aparte de para torturaros)…Detectar y determinar situaciones de estabilidad o inestabilidad atmosférica.Altitud

(m)

Temperatura(ºC)

GAS

GVT

INESTABILIDAD

GVT > GAS (la atm se enfría más rápido que la masa de aire). Fíjate en la pendiente de la función.

La masa de aire es menos densa que el aire que la rodea, por lo que asciende.

Atm

Masa de aire

171200

Dinámica atmosférica.

Altitud(m)

Temperatura(ºC)

GAS

GVT

ESTABILIDAD (subsidencia)

GVT < GAS (la atm se enfría más rápido que la masa de aire). No hay ascensos, la masa es más densa que el aire que la rodea.

Puede ser que el GVT>0 (positivo, la temperatura disminuye con la altura).

Puede ser que GVT<0 (negativo, inversión térmica, la Tº aumenta con la altura).

Atm

Masa de aire

171200

Dinámica atmosférica.

Altitud(m)

Temperatura(ºC)

GAS

GVT

ESTABILIDAD (inversión térmica)

GVT < GAS (la atm se enfría más rápido que la masa de aire). No hay ascensos, la masa es más densa que el aire que la rodea.

Puede ser que el GVT>0 (positivo, la temperatura disminuye con la altura).

Puede ser que GVT<0 (negativo, inversión térmica, la Tº aumenta con la altura).

Atm

Masa de aire

171200

Observa las 4 gráficas y contesta a la pregunta, razonando la respuesta:

Altu

ra (m

)

Altu

ra (m

)

Altu

ra (m

)

Altu

ra (m

)Temperatura (ºC) Temperatura (ºC)

Temperatura (ºC) Temperatura (ºC)

GVT

GAS

¿Qué tipo de movimientos atmosféricos y qué condiciones isobáricas se asocian a cada una de ellas? ¿Cómo crees que afectan a la dispersión de contaminación?

cálido cálido

cálido

Observa en la figura las situaciones atmosféricas A y B.

a) Teniendo en cuenta que el valor del GAS es siempre de 1ºC/100m y que el GVT, en el caso de A es de 0’7ºC/100m y en el caso B es de 1’2ºC/100m, pon en las líneas de puntos (de dentro y fuera) el valor de la temperatura que corresponda.

b) Añade dentro de los círculos una flecha que ascendente o descendente para indicar el tipo de movimiento vertical, si éste existe.

c) Haz dos representaciones gráficas, similares las de las situaciones atmosféricas de estabilidad e inestabilidad estudiadas.

d) Explica qué situación atmosférica (borrasca, anticiclón, inversión térmica, estabilidad o inestabilidad) representa cada caso. ¿Cómo repercute en la contaminación? ¿Por qué?

Una masa de aire a 20ºC y 12.5 g/m3 de humedad, situada a 100 m de altura sobre el nivel del mar, se ve obligada a ascender verticalmente para atravesar una cadena montañosa de 1600m  de altura. Si la figura representa la curva de saturación de la masa de aire responda a las siguientes cuestiones:

1. Calcule la humedad relativa de la masa de aire en las condiciones de partida.

2. Calcule la temperatura aproximada a la que alcanzará su punto de rocío.

3. Considerando un gradiente adiabático saturado  (GAH) de 0.5ºC/100m y un gradiente adiabático seco (GAS) de 1ºC/100m, ¿con qué temperatura llegará a la cumbre?

La atmósfera.Dinámica atmosférica.

Dinámica atmosférica.

Ya hemos hablado de situaciones anticiclónicas (de alta presión por descenso de masas de aire), Y situaciones ciclónicas o de borrasca (de baja presión por ascenso de masas de aire).

El viento es un desplazamiento del aire desde los núcleos de alta presión o anticiclones, a los

de baja presión o borrascas. (para que te acuerdes, el viento va de A a B (anticiclón a borrasca)).

Este movimiento es interferido por la fuerza de Coriolis, de forma que el desplazamiento del aire se hace oblicuo a las isobaras. EN EL HEMISFERIO NORTE, LA DESVIACIÓN EN EL SENTIDO DE DESPLAZAMIENTO ES HACIA LA DERECHA.• Si el viento va del sur al norte, se desviaría hacia el este.• Si el viento va del norte al sur, se desviaría hacia el oeste.

Cuanto más próximas son las isobaras, mayor es la diferencia de presión, y por tanto mayor será la fuerza del viento.

147202

Recuerda los giros:

Borrasca: Anti

horario

Anticiclón: Horario

Dinámica atmosférica.

Dinámica atmosférica.

CIRCULACIÓN GENERAL DE LA

ATMÓSFERA

Pero…Influencia del

movimiento de la Tierra: ACELERACIÓN DE

CORIOLIS.Rompe la célula en 3

cada 30º

148 La atmósfera.Dinámica atmosférica.203

148

Polar

Templada

Tropical

Templada

Polar

1

2

3

4

5

6

7

Célula de Ferrel

Célula de Ferrel

Célula de

Hadley

Célula de

Hadley

Célula Polar

Célula Polar

En total hay 7 zonas de

convergencia

La atmósfera.Dinámica atmosférica.203

148

Polar

Templada

Tropical

Templada

Polar

1

2

3

4

5

6

7

2 y 6 (60º): Ahí encontramos el frente

polar.

3 y 5 (30º): Zonas de Calma Subtropical

4 (0º): Zona Intertropical de

Convergencia (ZITC).

La atmósfera.Dinámica atmosférica.203