El sistema climático terrestreLección 4

Información climática básica

El Primer Principio de la Termodinámica,aplicado a la Tierra como sistema, nos diceque,

∆ET = Q – W

la Energía Total (∆ET) del sistemavaría en función de la diferencia entre elCalor Transferido por la radiación solar (Q)y el Trabajo realizado por los elementos delsistema (W):

• Circulación atmosférica• Corrientes marinas• Cambios de estado del agua• Producción de biomasa en la Biosfera

Energía radiativa y calorífica

Energía emitida por un cuerpo

negro

ENERGIACALORÍFICA

ENERGIARADIATIVA

El planeta Tierra se puede concebir como unsistema termodinámico que…

…recibe energía del Sol,…

…realiza un trabajo y…

…emite energía degradada en forma de calor alespacio exterior,…

El comportamiento del sistema Tierra podríaasimilarse a una estructura disipativa de calor que semantiene en un estado de equilibrio termodinámicocon una temperatura constante.

Las propiedades de estos sistemas sólo dependende factores intrínsecos al sistema que determinan suevolución, siempre y cuando estén libres deinfluencias externas.

Energía radiativa y calorífica

La temperatura de la Tierra está determinada por elbalance entre:

• Radiación solar absorbida: σ0·(1-α)·π·r2

• Radiación terrestre emitida: σ·T4·4·π·r2

T = Temperatura de la Tierra (K). [1 K = ºC + 273]α = Albedo terrestre (≈ 0.3)σ0 = cte. Solar (1360 W·m-2 = 1.95 cal·cm-2·min)σ = cte. de Stefan-Boltzmann (5.67·10-8 W·m-2·K-4)AU = Unidad astronómica

SOLTIERRA

MODELO DE RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE Y RADIACIÓN TERRESTRE EMITIDA

Si la Temperatura de la Tierra permanece constante, la cantidad de energía solarque absorbe debe ser igual a la cantidad de calor que emite.

Energía radiativa y calorífica

Dado que la Temperatura Global de la Tierra permanece constante (14º C),podríamos igualar ambas ecuaciones y despejar el valor de la temperatura quecorresponde a la cantidad de energía solar absorbida por la Tierra.

σ0·(1-α)·π·r2 = σ·T4·4·π·r2

𝑇𝑇 =4 𝜎𝜎0 � 1 − 𝛼𝛼

𝜎𝜎 � 4

Como resultado se obtiene un valor de 254,5 K = -18,5º C.

Este resultado es el que cabría esperar en función de la distancia que separa laTierra del Sol y si la Tierra fuera un sistema inerte, desprovisto de su envueltasfluidas.

El trabajo que ejercen la Atmósfera y la Hidrosfera principalmente y lascontribución de la Biosfera y la Geosfera elevan la temperatura terrestre 32,5º C.

Energía radiativa y calorífica

Pero, la Energía Total no permitecaracterizar por completo un sistemamacroscópico como la Tierra.

Aunque el valor medio de latemperatura de la Tierra es de 14ºC, sudistribución no es homogénea, sino quevaría entre los -90ºC en las zonas másfrías y los 60ºC que alcanzan losdesiertos, adquiriendo diferentes valoresintermedios en función del tipo demedio.

Energía radiativa y calorífica

Las masas oceánicas y continentalesse comportan como sistemastermodinámicos abiertos quepueden presentar diferentesdistribuciones de niveles de energíasin que varíe la Energía Total delsistema.

LATITUD

OROGRAFÍA• Elevación• Orientación• Pendiente

Energía radiativa y calorífica

LATITUD

TEMPE

RATU

RA

JULIOEnergía radiativa y calorífica

ENERO

Además, estos patrones de distribución espacial de energía presentan también patrones de variación temporal.

La Entropía es una magnitudtermodinámica que representael grado de desorden de unsistema.

A nivel macroscópico, elorden intrínseco que muestranciertas propiedades como latemperatura de la Tierradependen de las restriccionesimpuestas al sistema.

Así, la variación de la Tempe-ratura del aire sobre el Atlán-tico sigue el mismo patrón quela Irradiancia.

El mapa representa la variación de la temperatura del aire (ºC)sobre la superficie del mar y de los continentes.

Se han superpuesto isolíneas que representan valores deIrradiancia (kcal·cm-2·año).

Energía radiativa y calorífica

21 JUNSolsticiode verano

21 MAREquinocio de Primavera

22 DICSolsticiode invierno

Ψ de Aries

22 SEPEquinoccio de Otoño

N

Ángulo de inclinación del eje de rotación 23º 26’

Ecuador

Trópico de Cáncer

Trópico de Capricornio

Mediodía del equinoccio de otoño y de primavera

δ = 0º

90º66,5º

66,5º

Mediodía del solsticio de verano

δ = + 23,45º

66,5º

47,0º

90º

43,0º

Ecuador

Trópico de Cáncer

Círculo Polar Ártico

Círculo Polar Antático0,0º

Trópico de Capricornio

Polo Norte23,5º

Mediodía del solsticio de invierno

47,0º

66,5º

90º

43,0º

Ecuador

Trópico de Cáncer

Trópico de Capricornio

Círculo Polar Antático

δ = - 23,45º

0,0ºCírculo Polar Ártico

23,5ºPolo Sur

Los movimientos orbitales delplaneta y su esfericidad determinanlos patrones de variación latitudinaly estacional de la radiación einsolación terrestre que explican elorden intrínseco que muestranciertas propiedades del sistemaTierra, como la gran diversidad declimas y la distribución geográficade los seres vivos.Los factores que condicionan lainsolación terrestre son:•El movimiento de traslación•El movimiento de rotación•La inclinación del eje de rotación•La propia esfericidad del planeta

Balance de radiación en un contexto geográfico

Modelo orbital

Sol-Tierra

Esfericidad y radia-

ción

http://solardat.uoregon.edu/EducationalMaterial.html

Simulador orbital

En el hemisferio Norteel máximo del equinoc-cio de primavera esmenor que el máximodel equinoccio de otoño

Desde el Ecuador, todas las latitudes comprendidas entre los Trópicos de Cáncer y de Capricornio poseen dosmáximos y dos mínimos, pero un máximo domina en mayor grado a medida que nos acercamos a un Trópico u otro.

VARIACIÓN LATITUDINAL Y ESTACIONAL DE LA INSOLACIÓN

Mínimo Máximo

Solsticio invierno: 22-DICSolsticio verano: 21-JUNEquinoccio primavera: 21-MAREquinoccio otoño: 21-SEP

El Ecuador presenta dos periodos de máxima insolación en los equinoccios y dos periodos mínimos en los solsticios.

El gráfico representa la variación latitudinal y temporal de la insolación terrestre. En el eje temporal se representanlos meses, señalando los momentos en que se producen los solsticios y los equinocios.

Balance de radiación en un contexto geográfico

En los Polos hay un ciclo de insolación continuo que dura seis meses. En el Polo Norte comienza en el equinocciode primavera y termina en el equinoccio de otoño, mientras que en el Polo Sur se produce desde el solsticio deverano al solsticio de invierno.

Desde el Trópico de Cancer hacia el Círculo Polar Artico hay un ciclo anual de insolación continuo, con unmínimo en el solsticio de invierno y un máximo en el solsticio de verano. En el hemisferio Sur ocurre lo contrario.

Mínimo Máximo

Solsticio invierno: 22-DICSolsticio verano: 21-JUNEquinoccio primavera: 21-MAREquinoccio otoño: 21-SEP

VARIACIÓN LATITUDINAL Y ESTACIONAL DE LA INSOLACIÓN

Balance de radiación en un contexto geográfico

Relación entre la variación mensual de la Radiación Solar Global Diaria en el límite de laAtmósfera (Daily global ETR) y de la duración del día (Daily hours).

La duración del día se ha estima como la diferencia entre la hora del Orto y del Ocaso.Los datos se refieren temporalmente al año 2004 y espacialmente a las coordenadas geográficas de la rotonda del

Padre Ancheta en La Laguna (Tenerife).

10:04:48

10:33:36

11:02:24

11:31:12

12:00:00

12:28:48

12:57:36

13:26:24

13:55:12

5500

6500

7500

8500

9500

10500

11500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Nº h

oras

W/m

2

Meses

Daily global ETRDaily hours y = -105030x2 + 143166x - 36186

r² = 0,9989

5500

6500

7500

8500

9500

10500

11500

10:04 10:33 11:02 11:31 12:00 12:28 12:57 13:26 13:55

W/m

2

Nº horas

Relación entre insolación y radiación

12111

2 10

3 9

48

57

6

Balance de radiación en un contexto geográfico

Laboratorio de raciación

solar

Depto. de aplicaciones

astronómicas

350Radiación

absorbida por GEI

324Infrarrojos absorbidos

390Infrarrojos emitidos desde la superficie

78Evapotranspi

ración

24Térmicas

Calor sensible168Radiación solar absorbida

por la superficie

30Radiación solar reflejada por la

superficie

40Ventana

atmosférica de infrarrojos

Radiación solar absorbida por la

atmósfera67

Emisión de radiación

infrarroja desde la atmósfera

195

Radiación de onda larga emitida al espacio

235 Wm2

Radiación solar

reflejada107 Wm2

TIERRA

ESPACIO

SOL

ENERGÍA RADIATIVA

Radiación solar absorbida por la superficie terrestre:

342 – 67 – 77 – 30 = 168

77Radiación solar

reflejada por nubes, aerosoles y atmósfera

Radiación terrestre emitida al espacio exterior

195 + 40 = 235

Radiación solar reflejada30 + 77 = 107

ENERGÍA CALORÍFICA

Emisión de calor desde la superficieterrestre a través de ventanas:

390 – 350 = 40

Emisión de calor desde la atmósfera:24+78+67+350-324 = 195

BALANCE DE RADIACIÓN NETA342 Wm2 = 107 Wm2 + 235 Wm2

Calor latente 78

Radiación solar

incidente342 Wm2

ENERGÍA RADIATIVA(Longitud de onda corta) ENERGÍA CALORÍFICA

(Longitud de onda larga)

Balance de radiación en un contexto geográfico

RADIACIÓN SOLAR DIRECTARADIACIÓN SOLAR

DISPERSA(nubes y atmósfera)

ENERGÍA CALORIFÍCIA

La cantidad neta de energía térmica que gana el mar, Qt, se estima sumando todos los términosrepresentados en el esquema, con sus signos correspondientes según sean ganancias o pérdidas:

Qt = Qs ± Qb − Qe ± Qh ± Qv

Qb = σT4

Radiación de fondo

Qe = λEEvaporación

Calor sensible Qh

Corrientes Qv

RAD. SOLAR REFLEJADA

Radiación incidente efectiva

QS

ABSORCIÓN Y PÉRDIDA DE ENERGÍA TÉRMICA EN EL MARINTERCAMBIOS RADIATIVOS

Balance de radiación en un contexto geográfico

kzz eII −= 0

k = Coef. de extinción (m-1)

I0

Iz

Z

Dispersión

Absorción

La intensidad de la luzsolar (I0) se atenúacon la profundidad (Z)conforme penetra enel medio acuáticosegún la ley exponen-cial de Lambert-Beer.

ABSORCIÓN Y PÉRDIDA DE ENERGÍA TÉRMICA EN EL MAR

Coeficiente de extincióndel agua pura paradiferentes longitudes deonda de la luz solar.

ABSORCIÓN DE LA LUZ SOLAR EN ELMEDIO MARINO

La zona fótica esaquella en la quepenetra la luz del sol.Su profundidad esmuy variable enfunción de la turbidezdel agua.Se llama nivel eufóticoa la profundidad en laque la intensidad de laluz queda reducida aun 1% de la que hapenetrado la superfi-cie, el límite pordebajo del cual noqueda lugar para lafotosíntesis.

En las regionestropicales, de aguasmuy transparentes, elnivel eufótico puedeacercarse a los 200 m.

Balance de radiación en un contexto geográfico

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0

0 25 50 75 100%

9080 70 60 50 40 30 20 10 Equ

300

200

100

0

Porcentaje de la superficie del hemisferio

Latitud (ºN)

Energía (W/m2)

Radiación anual (105cal/cm2/año)

Superávit

Déficit

2

4

6

Transporte de energía

hacia el Norte

(1027kW)

Entrante

Saliente

Las zonas ecuatoriales y tropicales reciben mayorcantidad de energía solar que las zonas templadas yboreales debido al soleamiento diferencial de lasuperficie de la tierra.

Por término medio el Ecuador recibe cada año 2,5veces más energía que los Polos. Sin embargo, noexisten unas diferencias latitudinales tan acentuadas enla energía emitida por la tierra.

En ambos hemisferios se produzca un exceso deenergía desde el Ecuador hasta aproximadamente los 35ºde latitud y un déficit de energía desde esta latitud hastael Polo.

Las envueltas fluidas de la tierra tiende a equilibrar el balance de energía entre ambas zonas mediante el transporte deenergía a través de Las corrientes oceánicas (20%) y el movimiento de las masas de aire (80%).

El transporte de energía en la atmósfera varía su sentido (vertical u horizontal) según la latitud y su intensidad según lasestaciones del año.

TRANSPORTE GLOBAL DE ENERGÍA EN LA TIERRA

Balance de radiación en un contexto geográfico

1

2

1

2

12

Modelo de circulación atmosférica en tiempo real

Trabajo realizado por las envueltas fluidas de la Tierra

Teleconexiones

Modelo de circulación oceánica

Circulación en la zona tropical y

subtropical

Circulación en la zona templada

Variación estacional

de los sistemas de

presión

Modelo de circulación atmosférica

Movimiento de las

masas de aire

Configura-ción de la presión en superficie y

en altura

Cambios de estado del

agua

Cinturón de bajas presiones Altas subtropicales Manantial ecuatorialAlta polar

Vientos polares del Este Vientos del Oeste Vientos Alisios ZCIT

POLO ECUADOR

Corriente en chorro subtropical

Inversión térmica

célula de Hadley

Trabajo realizado por las envueltas fluidas de la TierraModelo de circulación atmosférica en el plano horizontal y vertical

Corriente en chorro polar

Los ciclones y anticiclones que se mueven en la proximidades de la superficie terrestre transportan

hacia el polo la mayor parte del calor.

El transporte superficial está relacionado con los centros de acción en altura y actúan

conjuntamente.

Se produce un transporte vertical de calor a través de los cumulonimbos asociados a las perturbaciones que se

producen en la vaguada ecuatorial.

En altura, el transporte de retorno hacia los polos se produce en los extremos occidentales de los anticiclones

subtropicales de la troposfera superior.

CIRCULACIÓN EN LAS ZONAS TROPICALES Y SUBTROPICALES

Modelo hipotético de flujo de aire que relaciona la convección en las zonas ecuatoriales, la corriente en chorro y la subsidencia alrededor de las zonas de altas presiones subtropicales (célula de Hadley)

500

200

100

Altu

ra e

n m

b

Estratocúmulos de los Alisios

Anticiclón de las Azores

AFRICAAdvección de las masas de aire cálido en

las zonas ecuatoriales

Masa de aire enfriada

adiabáticamente

Lluvias de tipo monzónico

sobre el continente

Africano

Flanco oriental

corriente en chorro

subtropical

Alisios del NE en dirección al Ecuador

Subsidencia entorno al anticiclón

subtropical

Trabajo realizado por las envueltas fluidas de la Tierra

ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA EN CANARIAS

El encuentro a cierta altura de los vientos Alisios del NE y los vientos del NW (aire de subsidencia), da lugar a una inversión térmica que impide el desarrollo vertical de los sistemas nubosos por

encima de la inversión que dan lugar a la formación de estratocúmulos.

Altu

raVientos del NW(aire de subsidencia)

Capa superior seca y cálida

en la base

Capa inferior húmeda y fresca

Trabajo realizado por las envueltas fluidas de la Tierra

ZONA DE INFLUENCIA DE LOS VIENTOS ALISIOS EN LA REGIÓN DE CANARIAS

Trabajo realizado por las envueltas fluidas de la Tierra

Trópico de Cancer

30º

Azores

Madeira

Canarias

Cabo Verde

Trópico de Cancer

30º

Trópico de Cancer

30º

Azores

Madeira

Canarias

Cabo Verde

Enero

Julio