La Atmósfera (Parte I)

Curso de Introducción a la Ciencias de la Tierra y el EspacioDra. Madeleine Renom

Unidad de Ciencias de la Atmósfera

• Atmósfera: Es un sistema que evoluciona y es

infinitamente variable, con una estructura compleja en

todas las escalas de espacio y tiempo.

Tiempo • Estado de la atmósfera en un cierto instante. (precipitación,

humedad, vientos, temperatura, presión).Manera en que la naturaleza equilibra las fuerzas.

Clima• Definición 1: Estadística del tiempo atmosférico durante un

período prolongado

• Sistema Climático: componentes

• ATMÓSFERA• HIDRÓSFERA• CRIÓSFERA• CONTINENTES• BIÓSFERA

ClimaDefinición 2: Estado del medio ambiente habitable (descripto estadísticamente)que resulta de la interacción de los componentes del Sistema Climático

ALGUNAS DEFINICIONES IMPORTANTES

• SISTEMA: Es una entidad compuesta por diversas componentes que se encuentran relacionadas y que funcionan complejamente como un todo.

• ESTADO DEL SISTEMA: Es un set de atributos importantes que caracterizan el sistema en un tiempo particular.

EL SISTEMA CLIMATICO TERRESTRE COMPONENTES

• ATMÓSFERA, que es la componente de más rápida variación• OCÉANOS, que interactúan con la atmósfera baja en períodos de meses a años, a través de sus capas superficiales, mientras que las capas más profundas sólo responden a cualquier estímulo en periodos de décadas a siglos.• CRIOSFERA, que comprende las capas de hielo continentales y marinos, sobre y por debajo de la superficie terrestre, así como también todos los depósitos de nieve del mundo.• CONTINENTES, que no sólo incluyen las masas terrestres continentales, sino, también, los lagos, ríos y depósitos de agua subterránea.• BIOSFERA, que comprende la vida vegetal y animal del planeta, incluyendo la vida humana.

EL SISTEMA CLIMATICO TERRESTRE Y LAS INTERACCIONES

Océanos - Temperatura

Criósfera

Superficie Terrestre

Atmósfera Es la envoltura gaseosa que rodea el

planeta, consiste en una mezcla de gases, que tiene una composición casi constante hasta los 25 kilómetros de

altura.

Composición Química

Composición Química

La atmósfera terrestre cumple varias funciones para hacer al planeta Tierra habitable

• Sirve como escudo protector de los rayos UV solares dañinos.• Sirve como frazada que atrapa el calor manteniendo a la superficie de la

Tierra en condiciones habitables.

La atmósfera logra esto aun siendo una delgada capa de gases ( si el planeta fuera del tamaño de una manzana, la atmósfera sería tan ancha como la cáscara)

Nuestro confort y seguridad dependen en particular de 2 factores:• La distancia Tierra-Sol• Las interacciones entre los fotones de la luz solar y las moléculas de los

gases que forman la atmósfera

Esto asegura temperaturas moderadas en superficie y la presencia de agua líquida en la Tierra

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 propiedad (calor)Por un fluido

Interacción de la atmósfera con la radiación

• Tres cosas pueden pasar cuando una radiación con una longitud de onda,λ , choca con un objeto o sustancia.

1. Parte o toda la radiación puede ser reflejada: Fracción reflejada: reflectividad αλ

No interactúa con el objeto, es rechazado.

2. Parte o toda la radiación puede ser absorbida. Fracción absorbida: absortividad, aλ

Aumenta la T del objeto. Energía radiativa se convierte en calor.

3. Parte o toda la radiación puede ser transmitida. Fracción transmitida: transmisividad: tλ

No interactúa con el objeto, simplemente pasa a través de él

Scattering (dispersión):

Rayleigh : moléculas de aire Mie : partículas y aerosoles

• En regla general, cuanto más pequeña es la partícula con respecto a la longitud de onda menos efecto tiene.

• Este resultado, dispersión de Rayleigh, se puede expresar como S ~ (2πr / λ)4

donde S es la dispersión, r es el radio de la partícula y λ

la longitud de la onda.

• Las moléculas que componen la atmósfera son diminutas respecto a la longitud de onda del rojo, pero no con respecto al azul.

• Por lo tanto, estas moléculas dispersan el azul pero tienen un efecto despreciable sobre el rojo; por eso es el cielo azul y el Sol se ve amarillento.

• Las moléculas de aire tienden a reflejar Longitudes de onda corta (Rayleigh). Principalmente el azul. Radiación difusa es azul (cielo).

• Las partículas (gotas, aerosoles, etc) tienden a reflejar todas las λ de la misma forma. (principalmente foward scattering- Mie). Mezcla de todas las λ: Luz blanca. Nubes, niebla, etc son blancas o grises.

• Al atardecer , el Sol se ve rojizo pues los rayos solares deben atravesar una capa mayor de atmósfera lo que hace que unicamente los rayos rojos sobrevivan (transmisión)

Balance de Energía

¿Recuerdan la clase 2?

• Teq = ((1-α)S/4 σ )1/4 ~ -19ºC !!! Algo nos esta faltando!!

α = Albedo terrestre

Nos falta considerar la composición química atmosférica y el efecto

invernadero!!!!

Absorción

• Un foton al alcanzar una molécula de aire o una partícula, puede cambiar de fase o dirección (scattering) o puede ser absorbido.

• Si es absorbido, su energía es transferida a la sustancia que lo absorbió. Esta energía puede aparecer como un aumento de la E interna o como calor. La energía puede ser almacenada en las formas: vibracional, rotacional, electrónica o translacional.

Etotal = E trans + E rot + E vibr + E elec

• Las transiciones de niveles de energía permitidos de las moléculas, hace que la atmósfera determine las frecuencias de radiación en las que será un eficiente emisor y absorbedor. Si ninguna transición corresponde a la energía del fotón, entonces pasará a través de la atmósfera sin ser absorbido.

Ley de Kirchoff: Si una sustancia es un emisor eficiente en cierta rango de λ, es también un absorbedor eficiente en el mismo rango de λ: ελ = αλ

Efecto Invernadero Natural

• Gases traza que absorben y emiten radiación IR

• Forma parte del balance de energía terrestre

• Principales gases de efecto invernadero: CO2, CH4, N2O, O3, vapor de agua.

Formación y destrucción de ozono natural

Formación: La radiación UV de alta energía proveniente del Sol, rompe la molécula de O2, el átomo de Oxigeno se combina con una molécula de O2, generando una molécula con 3 átomos = O3 OZONO

Ciclo Ozono: El O3 es un fuerte Absorbente de radiación UV de bajaEnergía. Esta rad. Es absorbida por Capa de ozono al destruir la molécula.Se libera un átomo de Oxigeno que Rápidamente se recombina con una molécula de oxigeno para generar Nuevamente el Ozono

Destrucción del ozono por CFC´s¿Qué son los CFC´s?

¿Qué es el agujero de ozono?

Unidad Dobson: Numero de moléculasDe Oz. Requeridas para construir unaCapa de Oz puro de 0.01 mm de espesorA una T= 0 ºC y P= 1atm.En superficie el espesor promedio de la Capa de Oz es de 300 UD , o una capa de3 mm de espesor.

Agujero de ozono se define cuando laConcentración de la columna es < 220 UD

El tamaño y profundidad del agujero de ozonoEsta gobernado por la T de la estratosfera y laCantidad de luz solar que llega a la región

¿Porque en las zonas polares?

Vortice polar

Nubes estratosféricas polares

Agujero de ozono ( menor a 220 UD)Antártida Octubre 1979-2010

Ventanas Atmosféricas

• Ventana atmosférica: rango espectral donde la atmósfera es casi transparente.

• Hay dos ventanas atmosféricas:• Ventana del rango visible ( 0.4-0.7µm): Permite que la radiación solar llegue a la

superficie.• Ventana de onda larga ( 8-12 µm). Permite que parte de la radicación

terrestre pase hacia el espacio.

¿Que pasa si se cierran las ventanas?• Ventana del visible: Causas: Aumento de la cobertura nubosa y/o reflección de

aerosoles AUMENTO DEL ALBEDO GLOBAL. Consecuencias: Reducción de la cantidad de energía que llega al

sistema Tierra-Atm EFECTO DE ENFRIAMIENTO• Ventana OL: Causas :Aumento H2O,CO2 u otros gases de efecto invernadero

AUMENTO DE ABOSRCIÓN DE IR EN LA ATMOSFERA

EFECTO DE CALENTAMIENTO EFECTO INVERNADERO AUMENTADO

Temperatura

Γ = - әT / әz Γ ≈ 6.5 ºC/Km

B a la nc e de e ne rg ía de l s is te 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.

Balance de energía al tope de la Atmósfera

Radiación de onda corta (radiación solar que llega)

Radiación de onda larga (OLR) (radiación terrestre que sale)

• 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.

Radiación Neta al Tope de la Atmósfera

Temperatura

• Poner grafico 2.14 hartmann

Flujo de energía

RTOA=radiación neta al topeΔFao = Divergencia del flujo horizontal en la atm. y océanos

El transporte en la horizontalLo realizan la atmósfera y los océanos.

Si integramos,obtenemos el transporte de flujo hacia los polos.

• A los 30º lat. La atmósfera y los océanos tienen igual contribución al transporte hacia los polos.

• Si no existiera este transporte, los trópicos serian muy cálidos y los polos muy fríos.

El promedio global anual de la radiación neta estaMuy cercano a 0. De existir un desbalance la Tierra se calentaría o enfriaría.

Balance en Superficie

• Ya vimos que la superficie terrestre emite energía en forma de IR, la cuál es luego absorbida por ciertos gases atmosféricos y por las nubes y luego es devuelta a superficie.

• Balance de flujo en superficie: flujos de energía por unidad de área que pasan verticalmente desde y hacia la superficie.

Componentes No-Radiativas Calor Sensible (Conducción)

• La superficie pierde calor por conducción, o sea transferencia de calor entre las capas bajas de la atmósfera y la superficie. LLAMADO CALOR SENSIBLE

• La transferencia mas importante es durante el invierno cuando masas continentales frías pasan sobre un océano más cálido (costa E de Norteamérica)

Positivo es hacia la atmósfera!!

• La superficie también pierde calor cuando las nubes transportan calor de la superficie a la atmósfera libre.

• Los vientos evaporan agua de los océanos y los mismos se enfrían. El calor reaparece cuando se forman las nubes (vapor de agua se condensa y libera calor latente).

• Existe transferencia de calor de los océanos a la atmósfera.

• Promedio anual de agua evaporada: 1 metro. Pérdida de energía en superficie: 83 W/m2 ( mitad de lo que recibe del Sol!!)

Componentes No-Radiativas Calor Latente (Evaporación)

Positivo es hacia la atmósfera!!

B a la nc e de e ne rg ía e n s upe rfic ie g lo b a l

Rad. Solar-Rad.Terrestre- Calor latente- Calor sensible = 0

Describe las transformaciones del agua al pasar por los distintos reservorios

CICLO HIDROLOGICO

Cantidad de agua (1 año) que mueve el ciclo hidrológico, equivale a 1m de agua distribuido en toda la sup. Terrestre.

La energía requerida para evaporar 1 m de agua = 80 W/m2

Si toda el agua de la atmósfera condensara, representaría 2.5 cm

La atmósfera remueve por precipitación aprox. 40 veces al año (tiempo de residencia del agua: 9 días)

Vapor de agua aprox. 50% efecto inv.

Nubes: aprox .30% efecto inv. y 50% albedo

Algunos números

Balance del Agua

CC FEPW ∆−−=∆

aa FEPW ∆−+−=∆

)()( CaCa FFWW +∆−=+∆

Continente :

Atmósfera :

P = P + D siendo D condensación en superficie (rocío, heladas, etc)

P= precipitación, E= evaporación, ΔF= transporte horizontal, ΔW= variación de agua

Distribución geográfica de la Precipitación

• Decrecimiento de la precipitación más o menos continuo desde el ecuador hacia los polos. Mayor contenido de humedad absoluta en los trópicos. Precipitación en áreas terrestres en los trópicos esta asociada a inestabilidad convectiva.

• Zonas ecuatoriales oceánicas son las regiones que presentan las máximas precipitaciones sobre el globo. (Existencia del Cinturón de convergencia intertropical)

• Las regiones ubicadas entre los 20-30 º latitud N y S presentan escasas precipitaciones ( Existencia de anticiclones subtropicales semipermanentes)

• Bordes occidentales de los continentes presentan en gral. Menores precipitaciones que los bordes orientales.

• Entre los 50-60º de latitud, especialmente sobre los océanos se observa un nuevo incremento de las precipitaciones debido principalmente a pasajes de sistemas de bajas presiones (cinturón polar de bajas presiones), que luego decrecen hasta llegar a 0 en los polos ( alta polar)

Vapor de agua en la columna es similar a la distribución de precipitación

Evaporación – Precipitación= Balance Hídrico

Promedio anual

● Una región donde la evaporación es mayor que la precipitacióntendrá una perdida anual de agua.

● Las zonas subtropicales de los océanos son grandes fuentes de vapor de agua para la atmósfera.

● La región de la zona de convergencia tropical, en cambio, es unazona de continuo flujo de vapor de agua de la atmósfera a losocéanos.

● Sobre los continentes, las regiones subtropicales también tienden atener un balance hídrico negativo (muchos de los desiertos estánaquí), mientras que en latitudes mayores a 40° el balance es positivo.

● Notar que nuestro país, a pesar de estar en la región subtropicaltiene un balance hídrico anual positivo. A una latitud similar Chiletiene un balance hídrico negativo que contiene el desierto deAtacama, el mas seco del mundo.

Algunas direcciones• Ozone Hole Watch- NASA: http://

ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole.html• Stratospheric Ozone: the protector – UCAR http://www.ucar.edu/learn/1_6_1.html