Tema-13 FÍsica de la atmósfera



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OBSERVACIÓN METEOROLÓGICA
La meteorología es una de las ramas de la Geofísica que su desarrollo ha sido promocionado en estos últimos años, dada la gran preocupación e interés por conocer todos los fenómenos que tienen lugar en la atmósfera con una relativa anticipación.

La meteorología: es la ciencia interdisciplinaria que estudia el estado del tiempo, el medio atmosférico, los fenómenos allí producidos y las leyes que lo rigen.

Hay que recordar que la Tierra está constituida por tres partes fundamentales: una parte sólida llamada litósfera, recubierta en buena parte por agua, hidrosfera y ambas envueltas por una tercera capa gaseosa, la atmósfera. Éstas se relacionan entre sí produciendo modificaciones profundas en sus características. La ciencia que estudia estas características, las propiedades y los movimientos de las tres capas fundamentales de la Tierra, es la Geofísica. En ese sentido, la meteorología es una rama de la geofísica que tiene por objeto el estudio detallado de la envoltura gaseosa de la tierra y sus fenómenos.

Se debe distinguir entre las condiciones actuales y su evolución llamado tiempo atmosférico, y las condiciones medias durante un largo periodo que se conoce como clima del lugar o región.

Mediante el estudio de los fenómenos que ocurren en la atmósfera la meteorología trata de definir el clima, predecir el tiempo, comprender la interacción de la atmósfera con otros subsistemas, etc. El conocimiento de las variaciones climáticas ha sido siempre de suma importancia para el desarrollo de la agricultura, la navegación, las operaciones militares y la vida en general.

La meteorología es una disciplina muy compleja, pese a que muchos sólo conocen de ella los aspectos concernientes a la climatología y la previsión del tiempo. Su campo de estudios abarca, por ejemplo, las repercusiones en la Tierra de los rayos solares, la radiación de energía calorífica por el suelo terrestre, los fenómenos eléctricos que se producen en la ionosfera, los de índole física, química y termodinámica que afectan a la atmósfera, los efectos del tiempo sobre el organismo humano, etc.


Los temas de la meteorología teórica se fundan, en primer lugar, sobre un conocimiento preciso de las distintas capas de la atmósfera y de los efectos que producen en ella los rayos solares. En particular, los meteorólogos establecen el balance energético que compara la energía solar absorbida por la Tierra con la energía irradiada por ésta y disipada en el espacio interestelar. Todo estudio ulterior implica, por lo demás, un conocimiento de las repercusiones que tienen los movimientos de la Tierra sobre el tiempo, los climas, la sucesión de las estaciones. También dan lugar a profundos estudios teóricos los dos parámetros principales relativos al aire atmosférico: la presión y la temperatura, cuyos gradientes y variaciones han de ser conocidos con la mayor precisión.
En lo concerniente a la evolución del tiempo, tiene especial importancia el estudio del agua atmosférica en sus tres formas: gaseosa, líquida y sólida, así como las condiciones y circunstancias que rigen sus cambios de estado, calor latente de evaporación, de fusión, etc., de la estabilidad e inestabilidad del aire húmedo, de las nubes y las precipitaciones.

Otra rama fundamental se esfuerza en determinar las leyes que rigen la circulación general de la atmósfera, la formación y los movimientos de las masas de aire, el viento y las corrientes en general, la turbulencia del aire, las condiciones en que se forman y mueven los frentes, anticiclones, ciclones y otras perturbaciones, así como los procesos que dan lugar a los meteoros.

Si la Tierra no girara y además su superficie fuera regular, el calentamiento desigual de las distintas partes de su superficie daría lugar a una distribución constante de los vientos, ya que el aire se elevaría, por calentamiento, en el Ecuador, y el aire frío acudiría a ocupar su lugar desde los polos, mientras el cálido se dirigiría por arriba hacia aquéllos, de modo que, salvo irregularidades locales, los vientos soplarían hacia el Sur, junto a la Tierra, en el hemisferio Norte, lo contrario ocurriría en el hemisferio Sur.
Pero este esquema tan sencillo queda perturbado por la rotación terrestre, que da lugar a una fuerza de Coriollis, desviando la trayectoria del viento hacia la derecha en el hemisferio Norte y hacia la izquierda en el hemisferio Sur.

Los movimientos generales de la atmósfera tiene lugar como se indica en la figura y que ya hemos comentado anteriormente.

La preocupación por el tiempo es innata en el ser humano y actualmente se une a esta preocupación, la prevención, y por tanto la toma de medidas, pare evitar catástrofes para el desarrollo de cosechas.

La escala de los procesos meteorológicos que tienen lugar en la atmósfera así como la energía que en ellos se pone en juego, es tan grande que las tentativas humanas para influir en el tiempo pueden, a lo sumo dar tan solo resultados locales.


Los varios ensayos que en este sentido se ha realizado pueden clasificarse de la siguiente manera:

1.-Producción artificial de lluvias

2.-Disipación de nieblas

3.-Protección contra descargas eléctricas

4.-Dsiminución del riesgo de heladas

5.-Protección contra granizadas y pedriscos

6.-Protección contra el viento
La producción artificial de lluvia, materia que está todavía sujeta a fuertes controversias, pero en la que indudablemente se han conseguido grandes avances.

Comencemos por decir que no cabe precipitar lluvias a menos que existan nubes aptas para ello. Hemos visto como al enfriarse el aire, por ascensión adiabática, el exceso de vapor se condensa sobre los pequeños núcleos para formar la nube, pero que mientras la temperatura de ésta sea superior a los 0ºC no contendrá más que gotitas de agua y raramente precipitación apreciable; únicamente cuando existan cristales de hielo en la atmósfera saturada de vapor puede esperarse un rápido crecimiento de aquéllos y su capacidad de producir precipitaciones.chubasco de lluvia el 6 de julio de 2004 en coslada, madrid.



Para la producción artificial de lluvias uno de os métodos ensayados consiste en introducir cristales de hielo mediante una siembra de partículas de hielo seco, o de alguna sustancia muy higroscopia. Las partículas de CO2 sólido son lanzadas desde un avión sobre la nube, y al caer dentro de ésta producen temperaturas de -30ºC, con lo cual las gotas de agua congelan sin necesidad de intervención de los primeros cristales de hielo de la propia nube. Por otra parte, cada partícula lanzada deja tras de sí un reguero de partículas de hielo, y estas, por turbulencia, se propagan por toda la nube condensando su vapor de agua y dando lugar a cristales que, al aumentar rápidamente de peso, podrán iniciar la precipitación. Pero para que ésta se produzca se requieren tres condiciones.




  1. La nube debe extenderse bastante por debajo de la isoterma de 0ºC, a fin de que contenga suficiente agua transformable en lluvia.

  2. También debe de extenderse por encima de la isoterma de 0ºC, pues de lo contrario los cristales de hielo formados desparecerían

  3. Dentro de la nube han de existir fuertes corrientes ascendentes, capaces de sostener cristales, una vez formados, para darles tiempo de crecer y dimensionarse por la nube.

Precisamente estas tres condiciones se dan en los cumulonimbos, que son las nubes que con mayor frecuencia ocasionan espontáneamente las precipitaciones más copiosas.

Otros ensayos para producir lluvias artificiales consisten en sembrar las nubes con cristales de ioduro de plata (AgI). El mecanismo de la acción de estos cristales difiere esencialmente del que tiene lugar con el hielo seco. . Por su estructura cristalina, muy semejante a la del hielo, os cristales de ioduro de plata sustituyen a los de agua en su papel de núcleos de sublimación, verificándose directamente la del vapor de agua sobre aquellos. El CO2 sólido, por el contrario actúa creando los núcleos de sublimación. Los cristales de ioduro presentan además la ventaja de no fundirse ni evaporarse a las temperaturas atmosféricas superiores a 0ºC, pudiendo introducirse en la nube desde el suelo, aunque en este caso su eficacia no es tan segura y resulta algo aleatoria. Por otra parta, ensayos hechos han demostrado que los cristales de ioduro pierden, al poco tiempo de salir del generador, su aptitud para actuar de núcleos de condensación.

Comentario a la lluvia artificial

Las primeras investigaciones sobre lluvia artificial fueron realizadas por dos científicos de General Electric en Nueva York, que estudiaban la formación de hielo sobre las alas de los aviones. Las primeras pruebas consistieron en la pulverización de hielo seco en cumulonimbos. Posteriormente, otro investigador descubrió que el yoduro de plata poseía una estructura semejante a los cristales de hielo, y pensó que este compuesto debería ser mejor núcleo de condensación que el hielo seco. En la década de los 50 y 60 surgieron en Estados Unidos empresas dedicadas a producir lluvias artificiales bajo demanda, que obtuvieron resultados satisfactorios. Posteriormente, se han ensayado otros compuestos para las siembras, cloruro sódico, urea, etc.

El proceso es muy sencillo, consiste en localizar nubes de un cierto tipo, bombardearlas con yoduro de plata, bien con una avioneta o desde el suelo por medio de generadores que funcionan como estufas o con cohetes de manera que el agua cristaliza formando copos de nieve germinales que crecen y al llegar a un cierto peso precipitan como nieve o granizo de pequeño tamaño, fundiendo para dar lluvia a menores altitudes. El truco está en sembrar la nube en el momento y lugar adecuados.

En general, la siembra de nubes es un método que se utiliza para eliminar la niebla y nubes en aeropuertos, en este caso se utiliza dióxido de carbono. Quizás, uno de los paises en los que la lluvia artificial es más popular es China donde se ha utilizado mucho en tiempos de sequía. Sin embargo, en el verano del 2005 se atribuyó al bombardeo de nubes las fuertes granizadas que cayeron sobre Pekín y que causaron graves daños materiales en la ciudad. Recientemente, en el mes de Mayo, un incendio que arrasó 8.300 hectáreas de bosque en el norte de China fue apagado gracias a lluvia artificial. Varios cohetes fueron lanzados contra las nubes, causando la caída de una ligera nevada sobre el incendio, según detalló la agencia estatal china. En el ámbito de lo festivo, el Ayuntamiento de Pekín ha prometido que bombardeará las nubes los días previos a los Juegos Olímpicos para garantizar que no lloverá en la ceremonia de apertura el 8 de agosto del 2008. En este sentido, la leyenda de que en la Plaza Roja de Moscú nunca llueve durante las celebraciones de Mayo puede deberse al yoduro de plata.


Los centros de acción

Podemos definir para el conjunto del planeta, una serie de altas y bajas presiones a las que llamaremos centros de acción ya que son los responsables de los tipos de tiempo que actúan en un determinado clima zonal. Estos centros de acción son: las bajas presiones ecuatoriales, las altas presiones subtropicales que por su estabilidad tienen nombre: como los anticiclones de las Azores, Hawai, Índico, del Pacífico Sur o del Atlántico Sur; las bajas presiones polares del frente polar; y las altas presiones polares, que también tienen nombre, como los anticiclones ártico, antártico, canadiense o siberiano.


Estos centros de acción son estáticos y se desplazan de norte a sur en verano y en invierno, con el desplazamiento aparente del Sol, modificando su extensión y latitud, hasta llegar a desaparecer, como en el caso de los anticiclones térmicos, o incluso llegar a aparecer otros más pequeños y secundarios. Los centros de acción de las bajas presiones no suelen tener nombre, por su carácter temporal, salvo los huracanes o las regiones en las que aparecen borrascas de forma permanente, como la borrasca de Islandia.

Existen, además, otros centros de acción secundarios que afectan a lugares concretos y en determinadas estaciones, y que provocan tipos de tiempo específicos, como las borrascas la de mar de Liguria o la de Sonora. A España, por ejemplo, la afectan las bajas presiones saharianas en verano, que provocan calima de calor, o la depresión del mar de Liguria en otoño, que alimenta las lluvias torrenciales y las gotas frías, o los anticiclones térmicos que aparecen en el centro de la península en invierno y generan tiempo estable, seco, soleado y frío.

El mar de Liguria es una subdivisión del mar Mediterráneo, cuyos límites si bien no son muy precisos están delimitados por un triángulo imaginario cuyos vértices son el Cap Ferrat francés vecino a Niza, la Punta di Revelatta cerca de Calvi en Córcega y el Cabo Piombino en Livorno en la Toscana. Baña la costa italiana conocida como Rivera de Liguria y Toscana y las islas de Córcega y Cerdeña, como nos muestran las imágenes.
Los centros de acción son las regiones manantiales de las masas de aire. Las masas d aire tienen características de temperatura y humedad homogéneas. Tiene gran extensión lateral, hasta centenares de kilómetros y está separada de otra masa por un frente y se distinguen entre:
Las masas de aire y frentes.-El estado físico de la atmósfera se determina midiendo la presión, temperatura, humedad, velocidad dl viento, etc. en gran número de puntos, tanto en superficie como en altura y un análisis de los resultados demuestra que existen enormes masa de aire, extendiéndose sobre algunos miles de kilómetros con características homogéneas; así, por ejemplo, dentro de una misma masa de aire varias estaciones encontraran una misma temperatura a determinado nivel, o medirán el mismo punto de rocío, etc.

Estas masas de aire se forman y adquieren sus características allí donde grandes volúmenes de aire permanecen en reposo bastante tiempo sobre alguna región de la Tierra en que, por uniformidad de la superficie, las condiciones son análogas sobre grandes áreas. Así, por ejemplo, existe el aire ártico, cuyas propiedades fueron adquiridas sobre tierras o mares, cubiertos de hielo, del Norte del continente americano y de Eurasia; el aire tropical marítimo que se origina en el centro del Atlántico etc.


Dichas masa de aire evolucionan des su lugar de origen y a lo largo del camino que recorren, pero por muchas transformaciones que experimenten siempre es posible diferenciar entre:

-Masas de aire frío, es decir cuya temperatura es inferior a la de la superficie sobre la que avanzan

-Masas de aire cálido, con temperatura superior a la de la superficie sobre la que se desplazan

Una superficie frontal es la región límite o de separación entre dos masas de aire distintas, y su intersección con la superficie terrestre constituye un frente


BALANCE ENERGÉTICO TERRESTRE
La Tierra es un sistema en equilibrio energético, de manera que la diferencia entre la energía aportada al sistema y la que el sistema devuelve debe ser cero. Esto implica que la temperatura de la Tierra permanece constante, y así ha sido a lo lago dl tiempo, con ligeras variaciones que han supuesto cambio climáticos. En definitiva, el foco de toda la energía sobre la superficie de la Tierra y su atmósfera es el Sol. Cuando sus rayos pasan a través de la atmósfera sólo un 10% de su energía es absorbida, mientras que el resto se emplea en calentar, y muy irregularmente, la superficie terrestre. Esta, a su vez, emite de nuevo hacia la atmósfera parte de la energía incidente, pro lo hace en forma de radiación calorífica, es decir, radiación electromagnética de longitud de onda más larga que la luminosa recibida.
La atmósfera, que es prácticamente diatérmana, transparente, para la radiación solar, resulta ser casi atérmana, opaca o absorbente para las radiaciones caloríficas de onda larga y, por lo tanto actúa a modo de vidriera de invernadero. Como consecuencia de este proceso la atmósfera, en lugar de calentarse uniformemente por los rayos solares, toma una temperatura determinada por las peculiaridades del suelo, que de esta forma imprime caracteres propios a las masas de aire próximas.
En este proceso juega también un papel primordial la irregular distribución de tierras y mares, ya que si ambas superficies difieren poco en relación a su poder de absorción, se comportan de distinto modo por su conductividad y capacidad térmica. La capacidad térmica es igual al calor específico por la densidad, cuyos valores para las rocas son aproximadamente, 0,15cal/g ºC y 2,5 g/cm3, mientras que para el agua ambos son del orden de la unidad, de modo que este elemento requiere mayor cantidad de calor para hallarse en equilibrio térmico en la Tierra, pero una vez caliente debe perder muchas más calorías que el suelo para reducir el mismo número de grados su temperatura.

El agua actúa como un enorme termostato regulador de la temperatura

Podemos decir que de la energía aportada por el Sol se distribuye de la siguiente manera:


  • Una parte es absorbida por la atmósfera, vapor de agua, polvo atmosférico, ozono y nubes

  • Otra parte importante es absorbida por la superficie terrestre

  • Otra parte es reflejada al espacio desde la atmósfera y la superficie terrestre. Esta cantidad de radiación solar recibe el nombre de albedo planetario.

Por su parte, la energía que el sistema Tierra devuelve al espacio procede de:



  • La radiación de onda corta reflejada, es decir, el albedo planetario

  • La radiación de onda corta que es absorbida por la atmósfera, pues esta energía se almacena en ella y una vez convertida en energía radiante de onda larga, sale al exterior.

En resumen, el sistema terrestre global, superficie terrestre más atmósfera, presenta un balance radiactivo nulo, de manera que la energía solar que entra y la energía terrestre que sale permanece en equilibrio: el flujo solar incidente, una vez se le ha restado el flujo solar reflejado queda compensado por el flujo térmico emitido desde el planeta.






PAPEL PROTECTOR DE LA ATMÓSFERA
El Sol es una estrella formada por diversos elementos en estado gaseoso, principalmente hidrógeno, en condiciones tales que lleva a cabo un proceso de fusión nuclear espontáneo e ininterrumpido. Estas reacciones constituyen el origen de la energía solar, que se puede considerar como una fuente inagotable de energía.

La fracción de esta energía que llega a Tierra, aunque es muy pequeña, supera en unas 10.000 veces la potencia de todas las formas de energía que emplea el hombre. Así, a la capa más externa de la atmósfera, llegan unos [W/m2], lo que se conoce como la constante solar.

No toda esta energía llega a la superficie de la Tierra. Puesto que al atravesar la atmósfera, es interceptada por las diferentes capas de que la estructuran, perdiendo intensidad. Es así que la energía que recibe la superficie de la Tierra, radiación global, se compone de dos tipos: la radiación directa, que no sufre cambios, y la radiación dispersa o difusa, debida a la dispersión por parte de la atmósfera y del suelo. De esta manera, la radiación que llega al suelo es de unos 900[W/m2], valor que, a escala de todo el planeta, equivale a unas 2.000 veces el consumo energético mundial.
La radiación solar abarca una amplia gama del espectro electromagnético, aunque la casi totalidad está comprendida en el rango de longitudes de onda de:  (0,1- 4m)

Dicha radiaciones filtrada a su paso por la atmósfera de manera que no toda ella alcanza la superficie terrestre


A nivel de la Termosfera se absorben radiaciones de menores de 200nm o sea 0,2m; es decir, Los rayos y los rayos X y parte de los UV. La radiación menor de 100nm es absorbida principalmente por el Nitrógeno y la comprendida entre los 100 y los 200nm por el Oxígeno molecular

A nivel de la Estratosfera se absorbe la radiación con longitudes de onda comprendida entre 200 y 300nm, UV corto, siendo el responsable de dicha absorción el Ozono.


Por lo tanto, al entrar en la Troposfera, las radiaciones menores de 300nm, que son las más perjudiciales para los seres vivos, han desaparecido completamente. El resto de la radiación hasta los 4000nm, o sea los 4m llega a la superficie terrestre y se utiliza en la fotosíntesis y la iluminación terrestre, y sobre todo en el calentamiento de la Tierra.
Resumiendo lo anterior diremos que existe un efecto invernadero “natural”, como resultado de la envoltura de aire que nos rodea, beneficioso, y que tenemos que diferenciar del provocado por la actividad humana.

La mayor parte de la energía del Sol se emite en el espectro visible. Esta radiación atraviesa la atmósfera y es absorbida en parte, calentando la capa superior de continentes y océanos. Como sabemos, todo cuerpo radia calor en función de su temperatura, siendo dicha emisión de frecuencias menores (y longitudes de onda mayores) cuanto menor sea la temperatura. Puesto que la superficie terrestre posee una temperatura muy inferior al Sol, radiará energía electromagnética de longitudes de onda más largas, en la banda del infrarrojo. Esta radiación es absorbida por el vapor de agua y el dióxido de carbono presentes en la atmósfera y es la responsable del calentamiento natural del aire. En esto consiste el efecto invernadero.


No es menos importante para nosotros la acción de la capa de ozono, que protege la vida del planeta absorbiendo la radiación ultravioleta cancerígena procedente del Sol. Su importancia es, por lo tanto, inestimable. Sin embargo, en la década de 1970, se descubrió que ciertos productos químicos llamados clorofluorocarbonos, o CFC, usados como propelentes en los aerosoles, representaban una posible amenaza para dicha capa. Se descomponen por acción de la luz solar y el cloro destruye las moléculas de ozono. Actualmente existe un acuerdo internacional para limitar el uso de dichos productos y otros similares.

Desde el punto de vista de su composición, la radiación que llega hasta la capa exterior de la atmósfera está constituida por la radiación ultravioleta (UV) (de 100 a 400 nanómetros de longitud de onda), la radiación visible (de 400 a 700 nanómetros de longitud de onda) y la radiación infrarroja (IR) (sobre 700nm de longitud de onda.


La energía de la radiación es transportada por corpúsculos llamados fotones; es así como la intensidad de la radiación está dada por el número de fotones incidentes en una determinada área.

La intensidad de radiación solar no es constante sino que depende de la longitud de onda, siendo más intensa en el rango visible (400-700nm.).

Gran parte de la radiación con longitud de onda menor a 300nm es eliminada por la atmósfera.



Recuerda: 1m=10-6m; 1nm=10-9m y 1pm=10-12m

La Radiación Ultravioleta es parte del espectro electromagnético emitido por el Sol, y de acuerdo a la longitud de onda y a los distintos roles que juegan en los procesos fotoquímicos y en la salud humana, es clasificada en tres tipos:



  • Ultravioleta C (UVC): La longitud de onda de estos rayos oscila entre 100 y 280 nanómetros. Es altamente dañina para los seres vivos y en presencia de la cual no sería posible la vida en la Tierra. Esta radiación es totalmente absorbida por el ozono estratosférico, vapor de agua y gases (O2, CO2), de modo que en ningún caso alcanza la superficie terrestre.




  • Ultravioleta B (UVB): la longitud de onda de estos rayos oscila entre 280 y 315 nanómetros. Parte de esta radiación es absorbida por el ozono, pero un porcentaje no despreciable (10% aproximadamente) alcanza la superficie terrestre y afecta a los seres vivos. Su efecto sobre las personas no solamente produce bronceado sino que además puede producir quemaduras, envejecimiento de la piel, cáncer de piel, conjuntivitis, etc.



  • Ultravioleta A (UVA): estos rayos están compuestos de longitudes de onda de 315 a 400 nanómetros. Los efectos de este tipo de radiación sobre las personas son similares a los de los UVB, pero mediante dosis unas 1000 veces superiores, por lo que proporcionalmente resulta menos perjudicial, aunque la intensidad que alcanza la superficie terrestre es muy superior a la UVB.

La Mayor parte de la Radiación UVA y cerca del 10% de la radiación UVB alcanzan la superficie de la Tierra. Tanto los rayos UVA como los UVB son los más importantes para la salud humana.

La intensidad de la radiación solar UV en la superficie de la Tierra depende de varios factores ambientales, entre los que se cuentan la altura del sol, latitud, altitud, reflexión del suelo, concentración de ozono atmosférico, presencia de nubes, bruma, polvo atmosférico y otros componentes orgánicos

La existencia de vida, como se ha desarrollado en la Tierra, depende de la eliminación efectiva de las radiaciones UV, ya que destruye los enlaces químicos de las sustancias orgánicas (proteínas y ácidos nucleicos). La atmósfera realiza eficientemente este proceso principalmente por la absorción que realizan las moléculas de oxígeno y ozono.



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