El balance de calor en la tierra

radiación de onda corta

dispersión

aire y nubes

al océano reflejada

radiación de onda larga

al espacio

a la atmósferaabsorción atmos.

Procesos fotosintéticos

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Qs + Qr + Qc + Qe + Qa = QT

El balance de calor en el océano

radiación de onda larga

a la atmósfera

Procesos fotosintéticos

QcQeQr

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

BALANCE DE CALOR OCEÁNICO

• Hay varios mecanismos que contribuyen al balance de calor de un volumen de océano. Algunos de estos mecanismos actúan a través de la superficie del mar y otros están asociados a la transferencia de calor entre diferentes partes del océano.

• Qs + Qr + Qc + Qe + Qa = QT• Qs: Radiación de onda corta recibida del sol en la superficie del mar. Varía

entre 80 y 220 W/m2• Qr: Radiación de onda larga emitida por la superficie del mar.

Habitualmente representa el balance entre radiación emitida por el mar menos la radiación emitida por la atmósfera. Varía entre -50 y -115 W/m2

• Qc: Calor transferido por conducción a través de la superficie del mar Varía entre O y -40 W/m2

• Qe: Calor transferido por evaporación / precipitación. Varía entre -50 y -160 W/m2

• Qa: Calor intercambiado con otros sectores oceánicos• QT: El calor neto ganado ó perdido por la porción de océano analizada. El

signo de QT produce el aumento ó disminución de la temperatura. QT es cero en condiciones estacionarias

Ley de Stefan – Boltzmann

W = σ T4, σ = 5.6696x10-8 J/ (m2 s K4)

Si T = 5776 K, W = 6.31 x 107 W/m2

Si T = 288 K, W = 390 W/m2

Radiación

Ley de Wien

λmax = b/T, b = 2.89777 x 10-3 m K

Si T = 5776 K, λmax = 5 x 10-7 m = 0.5 µm

Si T = 288 K, λmax = 1 x 10-5 m = 10 µm

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

La cantidad de energía que llega al tope de la atmósfera, denominada la constante solar es del orden de 1360 W/m2. El 50% de esta energía se

encuentra es la parte visible del espectro electromagnético. A la superficie del mar y cuando el sol se encuentra en la vertical llega un 50% de esta energía.

Qs depende de:la longitud del día

la absorción atmosférica (función del coeficiente de absorción que depende del contenido de vapor de agua, polvo en suspensión, etc.) y de la elevación del sol, la nubosidad, expresada en octas O conduce a reducción de Qs del

orden (1 - 0,09 O). 4 O (50% cubierto) Qs = 64%8 O (100% cubierto) Qs = 28%

la radiación del cielo.la reflexión de la superficie del mar.

el hielo y la nieve conducen a un aumento de la cantidad de energía reflejada de 10 a 15% a 50 a 80%

LA RADIACIÓN DE ONDA LARGA Qr

• La Tierra emite radiación proporcional a la cuarta potencia de su temperatura media, 290 °K para una temperatura media de 17 °C. El mar tiene la máxima radiación a una longitud de onda de 10 µ, (en la banda infrarroja) y el 90% de la radiación de onda larga del mar se encuentra entre longitudes de onda de 3 a 80 µ.

• Qr es el balance entre la energía radiada del mar hacia la atmósfera y la energía radiada de la atmósfera al mar (proporcional a la cuarta potencia de la temperatura del aire). La energía radiada por la atmósfera es función, esencialmente, del contenido de vapor de agua del aire sobre la superficie del mar.

• Qr es función de la temperatura, por lo tanto no presenta variaciones temporales o estacionales significativas.

• Si ΔT estacional = 8ºC la variación de Qr será proporcional a 2904/2824 = 1.12

• Qr depende de:• la nubosidad, expresada en octas O conduce a reducción de Qr del• orden (1 - 0,1 O). La nubes aumentan la cantidad de energía de onda larga

radiada de la atmósfera al océano.• 4 O (50% cubierto) Qr = 60%

• CALOR POR CONDUCCIÓN Qc• Qc = - Cp K dT/dz• Es proporcional al gradiente vertical de temperatura en el aire sobre la

superficie del mar. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de conductividad del calor turbulento.

• Cuando el aire tiene menor temperatura que el agua la atmósfera se inestabiliza, produciendo convección y se incrementa el flujo de calor hacia la atmósfera.

• CALOR POR EVAPORACIÓN / CONDENSACIÓN• Qe = Fe Lt• La evaporación requiere de una cierta cantidad de calor. La misma es

proporcional a la masa de agua evaporada por unidad de tiempo (Fe, medida en Kg de agua evaporados por segundo) y al calor latente de evaporación Lt

• Lt = 2494 - 2.2 T kJ/Kg • donde T es la temperatura del agua en °C. En la práctica la determinación

precisa de Fe es muy dificultosa.• También es posible determinar el calor de evaporación a partir del balance

de los demás términos del balance calórico y utilizando la tasa de Bowen:• Si Qa = 0 (el transporte de calor dentro de la masa da agua es

despreciable) y QT = 0 (no existe un flujo neto de calor entre el mar y la atmósfera).

• Qe = (Qs -Qr) / (1 + R)• R=Qc/Qe

RadiaciónEspectro de radiación en función de la temperatura unidades arbitrarias de energía

Espectro de radiación emitida por la tierra en el tope de la atmósfera, en la isla de Guam, en unidades arbitrarias de energía

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Distribución espacio-temporal de la radiación solar Qs

Sin nubes, 70% transmisión

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Nubosidad media anual en %

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Nubosidad estacional en %

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Radiación de onda corta (Qs, anual)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Radiación de onda larga (Qr, anual)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Radiación de onda larga (Qr, estacional)

dic-feb

jun-ago

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo de calor sensible (Qc anual)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Los monzones

• El monzón es un viento periódico, especialmente en el Océano Índico y el sur de Asia. La palabra también se usa para denominar la estación en la que el viento sopla del suroeste en la India y territorios adyacentes que se caracteriza con grandes lluvias, especialmente las lluvias que están asociadas con este viento. El monzón del suroeste que arranca de la costa de Kerala, en la India, comienza generalmente en la primera quincena de junio. El monzón del noreste comienza habitualmente en octubre.

• frecuentemente ultilizado para nombrar los cambios del viento a lo largo de las costas de la India, especialmente en el Mar Arábigo, que sopla desde el suroeste la mitad del año y desde el noreste durante la otra parte.

• Los monzones son provocados por el hecho de que la tierra se calienta y se enfría más rápido que el agua. Por lo tanto, en verano, la tierra alcanza una temperatura mayor que el océano. Esto hace que el aire sobre la tierra comience a subir, provocando un área de baja presión. Como el viento sopla desde áreas de alta presión (anticiclones) hacia áreas de baja presión con el fin de igualar ambas presiones, un viento extremadamente constante sopla desde el océano. La lluvia es producida por el aire húmedo elevándose en las montañas y enfriándose posteriormente.

• En invierno, como la tierra se enfría más rápidamente, el océano, que tarda más en enfriarse, está a una temperatura mayor. Así, el aire se eleva, causando un área de baja presión en el océano. El viento ahora sopla desde la tierra hacia el océano. Pero como la diferencia de temperaturas es menor que durante el verano, el viento que sopla desde anticiclón a la baja no es tan constante. Los monzones se realizan especialmente en climas cálidos y frecuentemente en lugares de alta mar.

Regiones monzónicas

Julio

Enero

Flujo de calor sensible (Qc estacional)

dic-feb

jun-ago

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo de calor latente (Qe anual)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo de calor latente (Qe estacional)

ene

jul

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Balance neto (Qs+ Qr+ Qc+ Qe , anual)(a través de la superficie del mar)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo de calor geotérmico: Notar que los valores máximos (mayores que 85 mW/m2) se observan en las dorsales oceánicas, donde asciende material a mayor temperatura hasta la superficie de la corteza oceánica.

Comparación del flujo de calor neto superficial con el flujo de calor a través del fondo marino

0.3 W/m2

100 W/m2

Temperatura superficial

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo meridional de calor

Qm = ρ0 Cp T v A

océano

atmósfera

vA

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujos meridionales de calor observados

Flujos meridionales de calor oceánicos globales (PW).

Ganachaud & Wunsch, Nature 2000

Keith, Tellus, 1995

Trenberth & Solomon, Clim.Dyn., 1994

* MacDonald & Wunsch, Nature, 1996

Garnier et al., Int.J.Climat., 2000

Heras & Schlitzer, J.Geophys.Res., 1999

Bryden et al., Deep-Sea Res., 1991

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo meridional de calor oceánico

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

El Atlántico, un océano “anormal”?

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

El balance de agua F = P – E + R

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Evaporación(mm/3h ≈ 29 cm/año)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Precipitación(mm/3h ≈ 29 cm/año)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Evaporación – Precipitación

Media anual (mm/día )

(5 mm/día ≈ 182.5 cm/año)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Evaporación - Precipitación(cm/año)

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Océano Fs(106 m3/s)

Atlántico -0.69

Indico -0.64

Pacífico .051

Ártico .08

Flujos totales de masa por cuencaal norte de 30ºS

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Salinidad superficial

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

(des) balance de agua en el océano

EP

S

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo meridional de “agua dulce” oceánico

109 ktg/s

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo meridional de “agua dulce” oceánico

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Flujo meridional de “agua dulce” Atlántico

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa

Conservación de la masa y el calor y sal

Q1 Q2

Q

Q1 + Q2 + Q = 0

Qi = mi ρ Cp T donde m = transporte de volumen (m3/s)

m1 m2

F = P – E + R

m1 + m2 + F = 0

m1 S1 + m2 S2 = 0

Oceanografía General /Oceanografía Física I – 2009 – 5. Balance de calor y de masa