Tema-13 FÍsica de la atmósfera



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FÍSICA Y QUÍMICA TEMA-13



TEMA-13
FÍSICA DE LA ATMÓSFERA
FENÓMENOS ATMOSFÉRICOS

OBSERVACIÓN METEREOLÓGICA

BALANCE ENERGÉTICO TERRESTRE

PAPEL PROTECTOR DE LA ATMÓSFERA

ALTERANCIONES DEBIDAS A LA CONTAMINACIÓN

MEDIDAS PARA SU PROTECCIÓN



INTRODUCCIÓN

La METEOROLOGÍA es una de las ramas más jóvenes de la Física, ya que su desarrollo ha sido retardado, no por falta de interés, puesto que la preocupación por el tiempo es innata en el hombre, sino que por las enormes dificultades que se oponía a su avance. Su objetivo actual es el estudio de todos los fenómenos que tienen lugar en la atmósfera terrestre.


Cuando una masa gaseosa uniforme está contenida en un recipiente es relativamente fácil llegar a comprender su comportamiento merced a las leyes de la mecánica de fluidos, las de los gases y y las de la termodinámica, pero el problema se complica cuando sufre un calentamiento que no es uniforme y se originan corrientes convectivas o cuando las paredes de la vasija son irregulares, de modo que las corrientes sufren resistencias variables. Todas estas complicaciones son significativas cuando el propio gas no es homogéneo, por contener vapores condensables. Si además le añadimos que la vasija que contiene ese gas está en movimiento de rotación, comprenderemos el sinfín de problemas que el estudio de la atmósfera presenta, ya que, esta capa gaseosa es un conjunto de gases y vapores que rodean la irregular superficie terrestre, que está calentada muy desigualmente y es arrastrada por la Tierra en su rotación.http://www.telegraph.co.uk/telegraph/multimedia/archive/01367/space_1367605c.jpghttp://www.tecnozono.com/images/atmosfera%20terrestre.jpg


LA ATMÓSFERA

La atmósfera es la capa gaseosa que a modo de envoltura protectora rodea la Tierra. Su límite inferior es la parte sólida y líquida del planeta, pero su límite superior es impreciso, aunque algunos científicos los sitúan en los 30.000 km.

La atmósfera está constituida por una mezcla de gases, a la que denominaremos aire, y diversas partículas en suspensión como polen, esporas, microorganismos, polvo, hollín sales, etc. que difundidas en la atmósfera y procedentes del suelo, del mar, de los volcanes, etc, forman el llamado polvo atmosférico.

Los gases más abundantes son el nitrógeno(78%), oxígeno(21%) y argón(0,93%), que se mantienen prácticamente constantes. También existen otros distintos gases en pequeñísimas concentraciones, en partes por mil, perón (ppm), pero constantes, tales como el dióxido de carbono, neón, helio, metano, etc y cantidades variables de vapor de agua y ozono.

El aire contiene cantidades variables de vapor de agua en forma de vapor, que es lo que se conoce como humedad atmosférica.

Humedad absoluta: es la cantidad total de vapor de agua en la atmósfera, expresada en gramos, que existe en un metro cúbico de aire. Ha= g/m3(aire)

La cantidad de vapor de agua que puede admitir la atmósfera varía de manera directa con la temperatura hasta un máximo, en cuyo caso el aire está saturado y el vapor empieza a condensar.



http://educasitios.educ.ar/grupo094/files/oceano.jpghttp://www.monografias.com/trabajos36/naturaleza/image5559.gif
La temperatura a la que el aire, en un momento dado, está saturado se denomina punto de rocío, es decir la humedad relativa es igual a la absoluta. Por esta razón, si la temperatura desciende y/o aumenta la presión, como no toda el agua puede estar en forma de vapor, el exceso pasa a forma líquida, condensación, o directamente a sólida, sublimación.

Normalmente, la atmósfera no contiene la cantidad máxima de vapor de agua, por eso tiene mayor importancia conocer la humedad relativa (Ha), que se define como la relación, expresada en tanto por ciento, entre la cantidad de vapor de agua presente en la atmósfera (Ha) y la que podría existir si el aire estuviera saturado (Hs), a la misma presión y temperatura. Hr=.100

Por tanto, la humedad relativa no indica la cantidad de gramos de agua que hay en la atmósfera, sino la cantidad de agua que puede admitir, así por ejemplo, si la humedad relativa es del 20% podrá admitir un 80% más.

El aire es materia y por tanto pesa y ejerce una fuerza sobre la superficie de los cuerpos en contacto con ella.

La fuerza que ejerce la atmósfera por unidad de superficie se denomina presión atmosférica. La presión varía con la altitud. A nivel del mar, que es el punto de referencia, es de 70mm de Hg, o sea 1013 milibares, disminuyendo a medida que se asciende sobre la superficie terrestre, ya que la masa del aire es menor. Sin embargo el descenso no es constante pues cerca de la superficie se concentra casi toda la masa atmosférica mientras que a unos 5,5km de la superficie existe aproximadamente un 50% y por encima de los 80km ta solo queda un 3% del total. Ello es debido a que el aire es un gas muy compresible de manera que cerca de la superficie presenta la máxima densidad y se va expandiendo al ascender según va disminuyendo la presión.

La presión atmosférica no es siempre la misma en un punto determinado, sino que sufre variaciones, dependiendo de diversos factores, entre ellos la temperatura y la humedad.



CAPAS DE LA ATMÓSFERA
1.-Según la temperatura

Por la forma en que varía la temperatura con la altura, la atmósfera se divide en una serie de capas perfectamente diferenciadas. En sentido ascendente desde la superficie, y según la nomenclatura propuesta en 1960 por la Unión Internacional Geodésica y Geofísica (UIGG) son las siguientes. Hay diferencias según autores sobre las dimensiones de estas capas y sobre las variaciones de temperatura de las mismas.


Troposfera: es la capa inferior de la atmósfera, en contacto directo con la superficie terrestre. Tiene una altitud media de unos 12km, 8 en los polos y de 16 a 18km en el ecuador, y una temperatura que va disminuyendo de manera casi constante a medida que asciende, con un descenso medio de 6,5ºC por cada km, llamado gradiente vertical de temperatura (GVT), hasta alcanzar los -50ºC y -70ºC en su superficie final.



Estratosfera: se extiende desde la tropopausa hasta la estratopausa, situada a unos 50km de la superficie. En los primeros 20km la temperatura permanece prácticamente constante para después aumentar hasta un intervalo de 0ºC a 10ºC en su límite superior. Este aumento de temperatura se debe a la absorción de la radiación ultravioleta por parte de las moléculas de ozono, que se concentran en la denominada ozonosfera situada a partir de los 22km. En la estratosfera se dan algunas turbulencias y se forman algunas nubes, nubes irisadas o nacaradas, por el color del borde, por lo que no se puede decir que sea una capa totalmente en calma.
Mesosfera: se extiende por encima de la estratopausa. La temperatura vuelve a descender hasta alcanzar unos valores mínimos de unos -80ºC en su límite inferior, mesopausa, situado a unos 80km de la superficie.
Termosfera: capa de gran espesor que se extiende hasta unos 500km, dispuesta sobre la mesopausa. Aquí se produce de nuevo un aumento de la temperatura por la absorción de parte de las radiaciones solares, llegando a alcanzar temperaturas superiores a los 1000ºC. En la parte más baja de esta capa aparecen estrellas fugaces, nubes noctilucentes, concentración de partículas muy finas procedentes de erupciones volcánicas y del espacio, y en la parte superior, las auroras boreales, debidas a la ionización de los gases. La termopausa marca el límite superior de la termosfera.
Exosfera: representa el límite superior propiamente dicho de la atmósfera, pero su dimensión se desconoce. Se supone extendida hasta la altura en que la densidad se asemeja a la del gas interespacial que la rodea.

2.-Según su estado de ionización: según el estado de ionización de los componentes. La atmósfera se divide en dos capas.

Neutroesfera o quimiosfera: comprende los primeros los 80km de la atmósfera y en ella los átomos y moléculas que existen, no están ionizados, ya que las radiaciones que penetran las capas más bajas de la atmósfera no tienen la energía suficiente para ionizarlas.

Ionosfera: en esta capa, que se encuentra en os mismos límites de la termosfera, los componentes están ionizados, de ahí su nombre, pues los rayos X, rayos  y ultravioleta que llegan de la atmósfera si poseen energía suficiente para ionizar los átomos y moléculas. Se distinguen varias capas según la densidad de electrones. En estas capas de electrones se reflejan las ondas de radio y TV utilizadas en las radiocomunicaciones.
3.-según su composición química, la atmósfera de divide en dos grandes capas

Homosfera: comprende los primeros 80km y aunque la densidad del aire disminuye rápidamente con la altura, la proporción de los distintos gases, con la excepción del ozono y el vapor de agua, que son variables, es bastante uniforme. Ello es debido a que en esta capa existen mecanismos efectivos de mezcla turbulenta.

Heterosfera: se extiende desde los 80-90km hasta el límite exterior de la atmósfera y tiene una composición heterogénea. En esta capa predominan los mecanismos de difusión sobre los de mezcla, lo que determina que las moléculas se acumulen en función de las fuerzas gravitacionales que hacen que las más pesadas se sitúen en las zonas más bajas, mientras que las más ligeras, caso del hidrógeno, puedan extenderse hasta varios miles de kilómetros. Según el gas predominante, en la heterosfera se distinguen, en sentido ascendente, las siguientes capas.

Capa de nitrógeno (N2) entre 80 y 200km, acompañada de oxígeno molecular y atómico

Capa del oxígeno atómico(O), entre los 200 y 1100km

Capa del helio (He), entre los 1100 y 3500km

Capa del hidrógeno atómico (H), entre los 3500 y los 10.000km



FENÓMENOS ATMOSFÉRICOS
La atmósfera constituye un sistema que intercambia materia y energía, tanto con la superficie del planeta como con el espacio exterior. Dado que el aporte energético no es homogéneo ni en el tiempo, ciclos día-noche, invierno-verano, ni en el espacio, donde existe una mayor insolación en el ecuador que en los polos, los componentes atmosféricos se encuentran en un estado dinámico, consecuencia del cual son los denominados fenómenos atmosféricos como lluvias, vientos, nubes, ciclones, etc.
El conocimiento de los mecanismos que generan dichos fenómenos puede resultar esencial para una correcta predicción de los mismos.

El estudio de la dinámica atmosférica se basa en la presencia y evolución de las masas de aire, que pueden distinguirse en la troposfera. En esta capa, el aire, sobre todo en las partes más bajas, no es homogéneo: muestra diferencias en cuanto a la temperatura, humedad y grado de estabilidad, debido a la distribución de la radiación solar y de la presión sobre la Tierra, por lo que es posible individualizar unas masa de aire de otras.

Desde el punto de vista termodinámico existen dos tipos: masas de airee frio, aire ártico o antártico y polar, y masas de aire cálido, tropical y ecuatorial. Cuando se originan sobre los continentes son secas, y si se forman sobre los océanos son húmedas. Una vez formadas, las masas de aire no son estáticas sino que experimentan desplazamientos de lo que resulta una dinámica atmosférica, que es la responsable de los fenómenos atmosféricos que se producen en la troposfera
1.-Movimientos verticales de la atmósfera

Los movimientos verticales de las masas de aire son consecuencia, en la mayoría de las ocasiones de las variaciones de temperatura que se dan con la altura, directamente relacionadas con el calentamiento de la superficie terrestre o a causa de la presión.


El gradiente vertical de temperatura disminuye con la altura hasta el nivel de la tropopausa a razón de 0,6ºC-1ºC/100m. Sin embargo existen situaciones en que la temperatura aumenta con la altura, lo que se llama inversión térmica.

Las inversiones térmicas se dan a cualquier altura de la troposfera pero un caso muy corriente es el que se produce a nivel del suelo, sobre todo con cielos despejados, aire en calma y una fuerte irradiación nocturna de calor sobre la superficie terrestre. A medida que se enfría el suelo lo hace el aire dispuesto sobre él, de manera que éste adquiere una temperatura inferior a la que existe en las capas superiores. La inversión térmica se puede producir también en superficies superiores nevadas.

Condensación de nubes: para que se produzca la condensación es necesario que la humedad relativa sea del 100% pero también que exista una superficie o partículas sólidas que actúen como núcleos de condensación, sobre los cuales se puedan reunir las moléculas de agua en número suficiente para formar pequeñas gotas. Según como se produzca el enfriamiento del aire húmedo, la condensación puede ser por:
Irradiación, debido al enfriamiento del suelo, que crea una situación de inversión térmica, ya que la temperatura del suelo es menor que la del aire situado encima.

El vapor de agua se condensa sobre la superficie terrestre más fría en forma líquida dando lugar al rocío, o sólida, la escarcha, si la temperatura es menos de 0ºC.

Debemos señalar que la escarcha no es el rocío que se hiela, sino el vapor de agua que por sublimación pasa de gas a sólido sin pasar por el estado líquido. Por tanto, la formación de estos dos meteoros acuosos no produce nubes. Cuando la condensación se produce en un aire estable y en las capas más bajas de la atmósfera en contacto con la superficie terrestre fría origina las nieblas. Se diferencian de las auténticas nubes en que el proceso de condensación procede del suelo.






Ascensión adiabática: se debe al ascenso de las masas de aire y la consiguiente disminución de presión. Una vez que el aire alcanza su punto de rocío, se originan pequeñas gotas de agua que se mantienen en suspensión formando las nubes. Cuando el aire saturado asciende a una altitud en que la temperatura es menor de 0ºC, se forman cristales y hielo, si es de manera ordenada y lenta da origen a la nieve, y si es desordenada y rápida al granizo.


Cuando el peso de las gotas de agua, copos de nieve o granizo, es mayor que las corrientes ascendentes que los mantienen en suspensión, se producen las precipitaciones.


Las precipitaciones.- Es la forma que el agua presente en la atmósfera retorna de manera sólida o líquida a la superficie terrestre, fenómeno éste que siempre viene precedido por los procesos de condensación, sublimación o por ambos a la vez. Uno de los fenómenos de precipitación más singulares es el de tormentas, que constituyen un ejemplo espectacular de los cambios de humedad en la atmósfera, y de liberación de energía en las zonas templadas.
2.-Movimientos horizontales

Además de las variaciones de presión en sentido vertical la presión atmosférica también muestra variaciones horizontales, que están relacionadas con la distribución de la radiación solar y el diferente calentamiento de la superficie terrestre.

Estas variaciones horizontales de presión sobre la superficie terrestre suponen un movimiento compensatorio que desplaza el aire desde las zonas de mayor presión, anticiclones, a las de menos presión, borrascas. Este es el origen del viento que se puede definir como el movimiento del aire en sentido horizontal y que tiende a compensar las diferencias de presión horizontales. Su velocidad será tanto mayor cuanto más juntas estén las isóbaras, mayor gradiente de presión, y menor, si las isóbaras están separadas.
En el hemisferio Norte, los vientos giran en sentido horario en las altas presiones y en contra en las bajas presiones.
3.-Circulación general de la atmósfera

Existe en la Tierra una circulación general de la atmósfera de carácter zonal en la que entran en juego: las masas de aire, la temperatura, la humedad y la rotación y traslación de la Tierra. Estas variables, junto con la posición con respecto al continente, son las que definen los climas zonales más importantes del globo.

En general, el viento es la circulación de masas de aire, provocada por diferentes causas pero con un denominador común, un gradiente de energía. La Tierra recibe del Sol luz y calor, pero a causa del grado de inclinación sobre su eje, las zonas ecuatoriales y tropicales son las que reciben la mayor parte de esta energía, estableciéndose un gradiente entre el ecuador y los polos. Este gradiente de energía es el que determina la circulación general de la atmósfera, funcionando como una bomba que traslada el calor ecuatorial hacia ambos polos.

En el ecuador existe un cinturón de bajas presiones que rodea al planeta denominado depresión ecuatorial, provocado por la ascensión del aire caliente producida en esas latitudes. Al subir, el aire se enfría en contacto con las capas altas de la troposfera y pierde gran parte de la humedad que contenía, que generalmente la descarga en forma de lluvia, volviendo a descender. Debido al efecto de las fuerzas de Coriollis, el viento sufre una desviación hacia la derecha en Hemisferio Norte y a la izquierda en el Sur. Estos vientos se conocen como vientos Alisios, y siempre soplan de Este a Oeste

aceleración absoluta

aceleración de Coriollis

Los vientos alisios soplan de manera relativamente contante en verano y menos en invierno. Circulan entre trópicos, desde los 30-35º de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotación de la Tierra desvía a los alisios hacia el oeste, y por ello soplan del nordeste al suroeste en el hemisferio norte y del sudeste hacia el noroeste en el hemisferio sur.http://www.tareaescolar.net/materias/geografia/imagenes/alisios.gif


Por lo tanto en el ecuador se produce un ascenso masivo de aire caliente, originando una zona de de bajas presiones que viene a ser ocupada por otra masa que proporciona los alisios. La masa de aire caliente que asciende, se va enfriando paulatinamente y se va dirigiendo en sentido contrario a los alisios, hacia las latitudes subtropicales, de donde proceden éstos. Los vientos alisios forman parte de la circulación de Hadley que transporta el calor desde las zonas ecuatoriales hasta las subtropicales reemplazando el aire caliente por aire más frio de las altitudes superiores.


La célula Hadley es una célula de circulación cerrada de la atmósfera terrestre que domina la circulación global atmosférica en las latitudes ecuatoriales y tropicales. Las células de Hadley se extienden desde el Ecuador hasta latitudes de unos 30º en ambos hemisferios, como nos muestra la figura.

Este calor es transportado en un movimiento celular con el aire ascendiendo por convección en las regiones ecuatoriales y desplazándose hacia latitudes superiores por las capas altas de la atmósfera.

El ascenso del aire caliente en el Ecuador está acompañado de la formación frecuente de tormentas convectivas en la llamada zona de convergencia intertropical.

El efecto de la rotación terrestre impide una mayor extensión de la célula de Hadley a través de fuerzas de Coriollis. Estas fuerzas, debidas a la aceleración de Coriollis, impiden que las dos células de Hadley no se extiendan por ambos hemisferios, desde el Ecuador a los Polos.

El transporte de calor en las latitudes medias y altas está gobernado por sucesiones de borrascas y anticiclones con frentes de aire cálido procedentes desde las latitudes inferiores y de aire frío procedentes de las latitudes superiores.
Existe una segunda célula convecctiva meridional superpuesta a estos movimientos y denominada célula de Ferrel. La célula de Ferrel transporta el aire cálido de los trópicos hasta latitudes subpolares (60º). Posteriormente existe también una célula polar entre los 60º y los polos


Al igual que el ascenso del aire caliente genera el cinturón de bajas presiones ecuatorial, el aire que desciende genera núcleos de altas presiones. La distribución de los núcleos de de altas presiones no es idéntica en ambos hemisferios.


En el hemisferio Austral existe un cinturón de altas presiones conocido como Cinturón subtropical de altas presiones, cuyo eje se sitúa en torno a los 30ºC de latitud sur. En el Hemisferio Norte, la mayor presencia de masas continentales provoca que no exista un cinturón de altas presiones como en el caso anterior. Por el contrario, la situación de las altas presiones varía según la época del año.


Durante el invierno, el aire sobre los continentes está más frío que el que se encuentra sobre el mar. Esto genera la aparición de bajas presiones en el mar, siendo las más importantes las denominadas Baja Aleutina, que se sitúa en el Pacífico, y la baja Islándica, sobre el Atlántico. Sobre los continentes se generan centros de altas presiones, siendo los más importantes la Alta Siberiana, que se sitúa en el centro de Asia, y la alta Canadiense, que se localiza en el norte de Norteamérica. Durante el verano, la situación es inversa. En esta estación, los continentes están más calientes que el mar. Por esta razón, sobre ellos se forman sistemas de bajas presiones, mientras que sobre el mar se forman altas presiones. Las más importantes son la Alta de las Azores, que se sitúa sobre el Océano Atlántico, y la Alta Hawaiana, sobre el Pacífico.

Las áreas de bajas presiones están relacionadas con el tiempo lluvioso y borrascoso. El aire superficial es cálido y húmedo. Al ascender, el aire se enfría y pierde gran parte de su capacidad de retener el vapor de agua, por lo que esta se condensa y precipita, convirtiéndose en lluvia.

La mayor parte del viento que sale de las zonas de altas presiones vuelve hacia el ecuador, pero una parte sigue hacia los polos. E su camino, vuelven a calentarse y, en consecuencia, ascienden. En el Hemisferio sur, este fenómeno genera la aparición del denominado Cinturón subantártico de bajas presiones. Parte del aire, una vez en el límite de la troposfera, vuelve hacia el cinturón subtropical de altas presiones. Otra parte se dirige en dirección al Polo Sur, formando un centro permanente de altas presiones conocido como Alta polar.
En la zona de contacto entre el Cinturón subantártico de bajas presiones y la Alta polar, a nivel de la superficie, se forma un cinturón de vientos de componente. Este. Estos vientos, debido a la ausencia de grandes masas continentales, suelen ser muy persistentes y llegan a alcanzar altas velocidades.
En el Hemisferio Norte, debido a la existencia de grandes masas continentales, el aire que fluye desde las zonas de altas presiones hacia el Polo Norte se comporta de manera diferente. Como se ha visto anteriormente, se suceden zonas de altas y bajas presiones según la época del año. En estas latitudes, debido a la fuerza de Coriollis, los vientos en altura presentan una componente Oeste mayoritaria. Estos vientos en altura, al permanecer sobre las áreas polares, generan un gran vórtice donde la presión atmosférica disminuye. Esto se conoce como Baja polar.

Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas. Como vórtice puede considerarse cualquier tipo de flujo circular o rotatorio que posee vorticidad.
La vorticidad es un concepto matemático usado en dinámica de fluidos que se puede relacionar con la cantidad de circulación o rotación de un fluido.

La vorticidad se define como la circulación por unidad de área en un punto del flujo.

El movimiento de un fluido se puede denominar solenoidal si el fluido gira en círculo o en hélice, o de forma general si tiende a rotar en torno a un eje.

La zona de contacto entre los vientos de Baja polar, fríos y secos, y los vientos subtropicales cálidos y húmedos, generan una zona muy inestable denominada Frente polar. Debido al flujo de estos vientos, el frente polar es frecuentemente perturbado, apareciendo amplias ondulaciones en sus límites, en las que el aire polar se mueve en dirección sur y el aire subtropical lo hace en dirección norte. Este fenómeno está asociado a la aparición de las borrascas. Al final, la ondulación se separa de la zona de bajas presiones polares y se disipa en el aire subtropical.


Asociada al frente polar se encuentra una masa de aire en altura que se desplaza a altas velocidades. Es lo que se conoce como corriente de chorro polar, que puede llegar a alcanzar en su seno velocidades de 300km/h. Algunos autores consideran que son estas corrientes de chorro polar (jet stream) las auténticas causantes de la circulación general de la atmósfera.
La circulación general de la atmósfera y Galicia
Galicia, por su latitud equidistante entre el Ecuador y los Polos, está enclavada en una zona templada, inmersa en la Masa Tropical Marina (caliente y húmeda). Además está habitualmente bajo la influencia del anticiclón de las Azores, y sufre pasajeros embates de las masas frías fronterizas, Polar continental y Polar Marítima, por acción del frente polar. En cuanto a los vientos, Galicia queda incluida en el cinturón de los oestes (Westerlies), de origen marítimo, templados y húmedos, viéndose afectada de forma regular en otoño-invierno por los sistemas nubosos que procedentes del Atlántico son arrastrados por esos vientos de componente oeste. Esto produce el paso sucesivo de borrascas con sus correspondientes frentes fríos y cálidos que suelen estar girados de sur y suroeste a noroeste.

En verano, los cinturones de vientos del Oeste se desplazan hacia el Norte y Galicia queda bajo el dominio de las calmas subtropicales. Además, el anticiclón de las Azores de desplaza hacia el oeste cortando el paso de borrascas atlánticas que se desplazan más al norte. En esta época, los vientos son generalmente débiles siendo de componente norte, noroeste y nordeste.







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