ATMÓSFERA Estructura, composición química, propiedades físicas, balance energético, vientos Celia.

Presentación del tema: "ATMÓSFERA Estructura, composición química, propiedades físicas, balance energético, vientos Celia."— Transcripción de la presentación:

1 ATMÓSFERA Estructura, composición química, propiedades físicas, balance energético, vientos Celia

2 1.LA ATMÓSFERA: Estructura, composición química, propiedades físicas. 1.1 Introducción

3 ¿Qué podemos deducir de esta imagen? El gas presente en las bolsas se expande, estamos a....

4 1.2 Composición química de la atmósfera A)Componentes mayoritarios y minoritarios. (libro pág. 192) B)Homosfera y Heterosfera. Homosfera. Hasta los 80-100Km de altitud. La composición del aire es homogénea, se mantienen proporciones iguales de los gases. Heterosfera. A partir de los 80-100Km de altitud. La composición del aire varía, ya que las proporciones de los gases no se mantienen iguales, sino que hay unos gases que abundan más que otros según la altitud.

5 La atmósfera es una capa fluida (porque está constituida principalmente por un fluido, el aire) de unos 10.000 km, de altura (límite superior estimado), según algunos autores, que rodea la Tierra. Está formada por gases, líquidos (agua líquida en las nubes) y sólidos en suspensión (esporas, polen, cenizas, microorganismos, polvo y agua sólida en las nubes formando minúsculos cristales de hielo). Debido a la compresibilidad (que se puede comprimir, reduciendo su volumen) de los gases y a la atracción gravitatoria el 95% de su masa se encuentra comprimida en los primeros 15 km (es decir en la troposfera), en ellos se concentran el 80% de los gases atmosféricos (N 2, O 2, CO 2 ) que posibilitan la vida. No obstante, las proporciones de los diferentes gases (aire) se mantienen casi inalterables hasta los 80-100 km. de altitud (homosfera), el resto tiene una composición más variable (heterosfera). En su límite superior (según algunos autores unos 10.000 km.) la concentración de gases es tan baja (prácticamente despreciable) que se asemeja a la del espacio exterior. Aunque, algunos autores, estiman el límite en 30.000 km, e incluso algunos en 40.000 km.

6 Composición media del aire seco de la homosfera. - Nitrógeno (N2) …………………………………………….78,083% - Oxígeno (O2) ………………………………………………20,945% - Argón (Ar)…………………………………………………..0,934% - Dióxido de carbono (CO2)……………………………….. 0,035% - Otros: Neón (Ne), Helio (He), Criptón (Kr), Hidrógeno (H2), Xenón (Xe), metano (CH4), Ozono (O3), óxidos de Nitrógeno (NOx), etc. ………………………………………..0,003% A esto habría que añadir el vapor de agua, que no se ha puesto porque varía mucho de unas zonas a otras desde el 4% al 1%

7 N2N2 O2O2 CH 4 H2OH2O Ar Ne HeCO 2

8 Composición de la heterosfera. GAS PREDOMINANTE ALTITUD Capa de Nitrógeno molecular (N2) …………………………..Entre 100 y 200 Km. Capa de Oxígeno atómico (O)……………………………….. Entre 200 y 1000 Km. Capa de Helio (He) …………………………………………....,Entre 1000 y 3500Km. Capa de Hidrógeno atómico (H) ………………………………A partir de 3500 Km. A mayor altura el gas predominante es más ligero (menor masa atómica)

9 A) Presión atmósférica. Es el peso ejercido por la masa de aire atmosférico sobre la superficie terrestre. Casi la totalidad de la masa de la atmósfera se encuentra en los primeros kilómetros por encima de la superficie terrestre (debido a la fuerza de atracción gravitatoria sobre los gases), por lo que la presión atmosférica disminuye rápidamente con la altitud. El valor de esta presión se mide con el barómetro. A nivel del mar es 1 atmósfera o 1013 milibares, equivalente al peso de una columna de mercurio de 760 mm de altura y un cm2 de base. En los mapas meteorológicos, la presión atmosférica suele representarse mediante las isobaras, que son líneas que unen los puntos de igual presión. 1.3 Propiedades físicas de la atmósfera

10 B) Temperatura El aire de la troposfera (capa inferior de la atmósfera) se calienta a partir del calor emitido por la superficie terrestre (radiación infrarroja). La temperatura es máxima en la superficie terrestre, alrededor de 15 ºC de media, y a partir de ahí comienza a descender con la altura según: A partir de 12 km, la temperatura asciende con la altitud hasta llegar a aproximarse a los 0-4 ºC en los 50 Km. Este incremento de temperatura está relacionado con la absorción por el ozono de la radiación solar ultravioleta. A partir de los 50km de altitud, la temperatura disminuye hasta alcanzar unos -100 ºC a los 80km de altitud. A partir de los 80 km de altitud, la temperatura va ascendiendo en altitud al absorber las radiaciones de alta energía, pudiendo alcanzar más de 1000 ºC a unos 600 Km de altitud. A partir de los 600 km la baja densidad de gases impide la transmisión del calor y carece de sentido hablar de temperatura. Un Gradiente Térmico Vertical (GTV) de 6,5 ºC de descenso cada Km que se asciende en altitud (la temperatura baja 0,65 ºC cada 100m de altitud). Hasta llegar a unos -70 ºC a los 12 Km de altitud.

11 Presión Temperatura 120 100 80 60 40 20 Altura (km.) -80-40 -60 0 -20 20 60 4080 Temperatura (ºC) Tropopausa Estratopausa Mesopausa TROPOSF. ESTRATOSF. MESOSF. TERMOSF. Capa de ozono

12

13 1.4 Estructura de la atmósfera. Capas y propiedades básicas.

14 Troposfera Estratosfera Elevada concentración de O 3 – ozonosfera- Nubes noctilucientes de hielo. Movimientos verticales de aire muy reducidos, pero los horizontales son muy importantes. 99.9% masa Mesosfera 99% resto1% resto Termosfera o ionosfera A 70km. abundan los vapores de sodio. Partículas cargadas y no cargadas. TROPOPAUSA ESTRATOPAUSA MESOPAUSA LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA 10 - 12 km 50 km 80 km 0-500m: capa sucia. Espesor: De 9km (Polos) a 16km (Ecuador). Movimientos de aire verticales y horizontales. La Tª llega a alcanzar los -140ºC. La Tª llega a alcanzar los 1.000 ºC. En ella se originan las estrellas fugaces. Fenómenos meteorológicos. Efecto invernadero. Albedo 80% masa atm. y 99% agua atm. Gradiente Vertical de Tª GVT = -66ºC/km. Auroras boreales y australes

15 LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA

16 Termosfera o ionosfera; se denomina así porque gran parte de las moléculas presentes están ionizadas por la absorción de las radiaciones solares de alta energía (rayos gamma, rayos X y parte de la radiación ultravioleta), provocando que el nitrógeno y el oxígeno pierdan electrones quedando ionizados con carga +, los electrones desprendidos originan campos eléctricos por toda la capa. La interacción de las partículas subatómicas procedentes del Sol con los átomos ionizados da lugar a fenómenos luminosos llamados auroras polares (aurora boreal en polo norte y aurora austral en polo sur) que suceden cerca de los polos magnéticos.

17

18

19

20

21 En la ionosfera: rebotan algunas ondas de radio y televisión emitidas desde la tierra, haciendo posible las telecomunicaciones, aunque a veces son interferidas por las radiaciones solares. La temperatura de la termosfera va ascendiendo en altura al absorber las radiaciones de alta energía, pudiendo alcanzar más de 1000 ºC (Curiosidad: la baja densidad de gases hace que esta temperatura realmente no signifique mucha energía). Su límite superior se denomina termopausa, entre los 600 – 800 Km de altura, continuándose con la exosfera.

22

23 desde los 600 – 800 Km de altura hasta unos 10.000 Km según autores. Tiene una bajísima densidad de gases hasta llegar a ser similar a la del espacio exterior (casi vacío) con lo que el cielo se oscurece (no hay prácticamente materia que absorba la luz). Curiosidad: La poca densidad hace imposible medir la temperatura y ésta no se puede propagar, con lo que carece de sentido hablar de temperatura en esta capa. Exosfera:

24 Es la región del espacio que rodea la Tierra, en la que el campo magnético terrestre forma un escudo protector contra el viento solar (flujo de partículas, mayoritariamente protones emitidos desde la atmósfera solar) y las radiaciones mas peligrosas, como los rayos gamma y rayos X solares, lo que constituye una condición que posibilita la existencia de vida en nuestro planeta. La magnetosfera comienza a unos 500 Km. de altitud por encima de la ionosfera, y se prolonga mucho mas lejos que la exosfera, a unos 60.000 Km. de altitud en la dirección del Sol y mucho mas distante en dirección opuesta. La magnetosfera

25

26 2. FUNCIÓN REGULADORA Y PROTECTORA DE LA ATMÓSFERA 2.1 El balance energético de la radiación solar

27 La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo (unos 15ºC), por lo que existe un balance de radiación nulo entre la cantidad de radiación solar entrante y la radiación terrestre saliente, si no se calentaría y enfriaría continuamente. De la radiación total proveniente del sol(entrante): -Un 30% es reflejada(albedo) por las nubes(17%), superficie terrestre (5%) y por la dispersión hacia el espacio por gases, polvo…(8%) El 25% es absorbida por la atmósfera por el ozono estratosférico y por el vapor de agua (4%), por el agua líquida (19%). -Un 45% es absorbida por la superficie (océanos > continentes), este calor saldrá de la superficie lenta y gradualmente hacia la atmósfera en forma de calor latente asociado a la evaporación, a la emisión de onda larga (radiación infrarroja), y a la convección y conducción térmica.

28 El balance energético de la radiación solar

29 La radiación terrestre total saliente : Un 30% es reflejada (albedo) por las nubes (17%), superficie terrestre (5%) y por la dispersión hacia el espacio por gases, polvo,…(8%) El 25% es devuelta por la atmósfera. La radiación absorbida por la atmósfera (recibida tanto de la radiación solar como desde la superficie terrestre) es devuelta al espacio en forma de radiación de onda larga. Un 29% se emite desde la superficie terrestre (océanos > continentes), este calor saldrá de la superficie lenta y gradualmente hacia la atmósfera en forma de calor latente asociado a la evaporación(24%), y a la convección y conducción térmica. Un 16% de radiaciones infrarrojas emitida por la superficie terrestre emisión de onda larga (104-88=16).

30 BALANCE ENTRADAS = SALIDAS =70% Esto ocasiona que la temperatura en la Tierra sea estable

31 Directa Difusa Absorbida Reflejada por las nubes Reflejada por la Tierra

32 Luz visibleUltravioletaInfrarrojo Nubes Albedo CalentamientoRadiación terrestre Absorción (E. invernadero) Albedo Pérdida al espacio Absorc. y contrarrad. (E. invern.)

33

34 calor latentecalor sensible Toda la energía absorbida por la superficie terrestre se libera mediante la emisión de radiación térmica de onda larga y mediante procesos convectivos (calor latente y calor sensible). Calor latente Calor latente: calor absorbido o liberado en los cambios de estado sin variar la temperatura Calor sensible Calor sensible: es el que aumenta la temperatura de los cuerpos y que puede ser medido con un termómetro

35 Latente (25%) Sensible (7%) CONVECCIÓN O. L. (18%) Contrarradiación (96%) 114 %

36 2. FUNCIÓN REGULADORA Y PROTECTORA DE LA ATMÓSFERA 2.2 Función protectora: la atmósfera como filtro protector (acción de la Ionosfera y Estratosfera).

37

38 Ondas absorbidas por la capa de ozono

39 Ionosfera/ Termosfera

40

41 INTERACCIÓN RADIACIÓN SOLAR celia

42 La belleza del cielo no es más que el resultado de la interacción de la LUZ del Sol con la atmósfera. Si dejamos pasar un rayo de sol por un prisma de vidrio. La luz se abre en un abanico de colores (se dispersa) por refracción y como resultado de esta dispersión vemos una gama de colores: violeta, azul, verde, amarillo y rojo. Los rayos violetas y azules, una vez desviados (difusión), chocan con partículas de aire y varían su trayectoria, y así sucesivamente: realizan, pues, una danza en zigzag en el seno del aire antes de alcanzar el suelo terrestre. Cuando, al fin, llegan a nuestros ojos, no parecen venir directamente del Sol, sino que nos llegan de todas las regiones del cielo, como en forma de fina lluvia. De ahí que el cielo nos parezca azul, mientras el Sol aparece de color amarillo, pues los rayos amarillos y rojos son poco desviados y van casi directamente en línea recta desde el Sol hasta nuestros ojos. Cuando existe una cantidad anormalmente elevada de aerosoles (polvo atmosférico), la luz del amanecer y del atardecer es especialmente roja.

43 O.L. O.C.

44

45

46 Color del Sol Atmósfera

47

48

49 El Sol y la Tierra emiten energía: el S SS Sol de onda corta (Tª = 6.000ºK) y la T TT Tierra de onda larga (Tª = 288ºK = 15ºC).

50

51

52 En la atmósfera n nn ningún gas absorbe radiación en longitudes de onda entre 0.3 y 0.7 µm, por lo que se tiene un vacío en la región de luz visible, que corresponde a una gran fracción de la radiación solar (ventana atmosférica ). Esto significa que la a aa atmósfera es transparente a la radiación de onda corta del Sol, p pp pero absorbe la radiación terrestre de onda larga, por lo tanto la atmósfera no es calentada por la radiación solar, sino que se calienta desde el suelo hacia arriba. Mientras más lejos se está del radiador (la superficie de la Tierra), es mas fría, esto explica la disminución de la temperatura con la altura en la troposfera (GVT).

53 O.L.

54 Como hemos visto, el balance de radiación solar depende, además, de la radiación incidente, de la estructura y composición química de la atmósfera, propiciando unas condiciones térmicas especiales en la Tierra que la hacen apta para la vida. 2.2 Función protectora: la atmósfera como filtro protector. La atmósfera absorbe de manera selectiva las radiaciones de diferentes longitudes de onda que nos llegan del Sol. De esta forma, la temperatura en la atmósfera va ascendiendo y descendiendo, determinando así su estructura en capas con diferentes temperaturas y características. - En la ionosfera se absorben las radiaciones de onda corta y alta energía, rayos X, rayos gamma y parte de la radiación ultravioleta, todas ellas muy perjudiciales para la vida. - En la ozonosfera (capa de la estratosfera) se absorbe gran parte de la radiación ultravioleta. - Las radiaciones correspondientes al espectro visible atraviesan la atmósfera y alcanzan la superficie terrestre, se deduce que la atmósfera es casi transparente a dichas radiaciones y no experimenta un calentamiento apreciable al ser atravesada por las mismas. - Las radiaciones infrarrojas y las de menor energía, son absorbidas por el CO2 y el vapor de agua atmosféricos y ocasionan un aumento de la temperatura atmosférica.

55

56 2.3 Función reguladora del clima por la atmósfera: variaciones del albedo, efecto invernadero y circulación general del aire. La atmósfera, en líneas generales, contribuye a la regulación del clima terrestre de las siguientes formas: - por el día refleja (albedo) y absorbe parte de la radiación solar, evitando el sobrecalentamiento de la superficie del planeta. - además, absorbe parte de la radiación infrarroja que emite la superficie, evitando que se enfríe bruscamente por la noche, ya que, parte de ese calor vuelve a la Tierra como contrarradiación (efecto invernadero). - y por último, la circulación del aire tiende a compensar los desequilibrios de temperatura originados por la diferente insolación en distintas zonas del planeta. (movimientos de masas de aire verticales y horizontales; libro pág. 191 y 192) Recordar concepto y bucle del albedo. Pag. 20 del libro. Recordar efecto invernadero. Pág. 19 del libro.

57 Hielo y nieve, máxima reflexión Océanos, absorción

58

59 Circulación general del aire: la circulación general de la atmósfera redistribuye la energía solar que llega a la Tierra, disminuyendo las diferencias de temperatura entre el ecuador y las latitudes más altas; participa en el balance de calor con los grandes sistemas de vientos, huracanes y ciclones que transportan calor desde las zonas tropicales hacia los polos y frío desde zonas polares hacia el ecuador. Curiosidad: las ¾ partes de la superficie de la Tierra están cubierta de agua, el agua absorbe muy bien la radiación solar y mediante las corrientes marinas cálidas (desde el ecuador hacia las altas latitudes) y frías (desde los polos hacia las latitudes más bajas) regulan el clima de manera mucho más eficaz que la atmósfera. Tanto el transporte oceánico como atmosférico están regulados por un bucle de realimentación negativa. Pág. 191 del libro. Transporte oceánico y atmosférico Contraste térmico __

60 La constante solar, es el flujo de energía proveniente del Sol, que incide sobre una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar. Se mide con una unidad denominada langley (ly) que equivale a 1cal/cm2. 1 cm 2 2 cal cm 2 minuto = 2 ly min 2 cal / cm 2 x minuto = 2 ly / min

61 ANGULO DE INCIDENCIA DE LA RADIACION SOLAR

62 Aire descendente en los polos fríos y ascendente en las latitudes ecuatoriales cálidas NO TIENE EN CUENTA LA ROTACIÓN DE LA TIERRA

63 Debido al giro de la Tierra (efecto coriolis), al rozamiento con la superficie y a la distribución de tierra y continentes el flujo es mucho más complejo.

64 EFECTOEFECTOCORIOLISCORIOLISEFECTOEFECTOCORIOLISCORIOLIS Es consecuencia de la rotación terrestre y actúa sobre todo objeto en movimiento, siendo directamente proporcional a la velocidad del mismo y depende de la latitud siendo máxima en el Ecuador y mínima en los Polos. Este efecto produce una desviación de la trayectoria hacia la derecha en el Hemisferio Norte.

65

66 - Son áreas de alta presión (>1.013 mb) - En su interior el aire desciende, aplastándose contra el suelo a cuyo nivel es despedido hacia el exterior. - La subsidencia favorece la compresión del aire y, por tanto, los cielos despejados y tiempo estable. - Son situaciones relacionadas con tiempo seco y soleado. - En su descenso, el aire describe una trayectoria espiral descendente en sentido horario en el hemisferio norte. Un anticiclón es pues un centro de subsidencia y con divergencia de masas de aire, originado por una masa de aire frío (denso) que desciende de la alta atmósfera, y que viene a cubrir las áreas de baja presión en donde el aire cálido asciende. ANTICICLONES

67 - Son áreas de bajas presiones (<1.013 mb), llamadas también ciclones o depresiones. - El aire al ascender se enfría y el vapor de agua se condensa formando nubes que van creciendo pudiendo dar precipitaciones. - En su interior la presión disminuye, por lo que los vientos convergen hacia el centro de la borrasca, entrando con una trayectoria espiral en las capas bajas y ascendiendo en el interior. Así, en el hemisferio norte, se crea una trayectoria espiral ascendente en sentido antihorario - Son situaciones relacionadas con tiempo inestable con precipitaciones.BORRASCAS

68

69

70

71

72 El viento

73 LEYES DEL VIENTO Ley de Ballot Ley de Ballot : Los vientos circulan desde las zonas de alta presión hacia las de baja presión. Ley de Ferrel Ley de Ferrel : Los vientos se desvían hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Sur debido a la rotación de la Tierra. Ley de Stephenson Ley de Stephenson : La velocidad del viento está en razón directa con la diferencia de presión en las zonas entre las que sopla.

74

75

76 A B

77 A B

78 A 0º 30º 60º BBB BB AAA B Alisios del NE Ponientes Levantes polares C. Polar C. Hadley C. Ferrell

79

80

81 Jet stream Jet subtropical Frente polar

82 http://es.youtube.com/watch?v=wizw0tMCpkw

83 3. INVERSIONES TÉRMICAS. CONCEPTO: En la troposfera la temperatura disminuye con la altura (GTV= 0,65 ºC/ 100m), en la parte más baja el aire es más cálido y por lo tanto, menos denso, por lo que tiende a ascender, mientras que en la parte más alta el aire frío es más denso y tiende a descender por otro lugar donde no haya ascenso de aire cálido. Pero podemos encontrar zonas en la troposfera en las que, existen perturbaciones en el GTV, la temperatura aumenta con la altura, a este hecho se le llama inversión térmica que impide el ascenso del aire situado abajo (más frío y por tanto más denso). Las inversiones térmicas son muy negativas para los episodios de contaminación impidiendo la dispersión de la contaminación atmosférica, ya que impide los movimientos verticales de masas de aire. Dicho de otra manera, si con la altura la temperatura va disminuyendo en suficiente proporción, los contaminantes ascenderán con el aire y según lo hagan se irán expandiendo, disminuyendo su concentración, hasta alcanzar la estratosfera, donde los vientos en altura los dispersarán totalmente. Por el contrario, hay dificultad para que se produzca la dispersión de los contaminantes cuando no hay corrientes ascendentes de aire. Una situación especialmente grave se da cuando hay inversión térmica, ya que los contaminantes quedan atrapados cerca de la superficie. Sin vientos importantes, temperaturas bajo cero y una gran estabilidad atmosférica no hay dispersión de contaminantes.

84 El aire de las chimeneas no puede ascender por una capa de inversión térmica

85

86 DESARROLLO: Las inversiones térmicas se suelen producir en invierno, cuando las noches son más largas y la superficie terrestre se enfría mucho, provocando que el aire en contacto con la superficie se enfríe más rápidamente que el aire situado por encima. Este fenómeno se favorece en ausencia de nubes y de viento (la ausencia de nubes durante la noche produce un rápido enfriamiento, pues las nubes actúan de pantalla, evitando que el calor almacenado durante el día escape rápidamente). Con anticiclones es más probable que se desarrollen situaciones de inversión térmica (los anticiclones producen ausencia de nubes). La situación se puede agravar si se forma niebla (nubes a ras del suelo), pues los contaminantes reaccionan con el agua de la niebla produciendo sustancias más dañinas como ácidos, el frío favorece la niebla pues a menor temperatura el vapor de agua se condensa formando gotas de agua en suspensión (niebla), la niebla reduce la visibilidad con lo que al amanecer tarda más el Sol en calentar la superficie para romper la inversión térmica. La inversión térmica se rompe cuando la radiación solar llega a la superficie terrestre con la suficiente intensidad y duración como para calentarla, calentándose también el aire próximo. De esta forma se establece el GTV normal y la posibilidad de que se produzca un ascenso del aire.

87 La inversión por subsidencia generalmente está asociada con los anticiclones. El aire de un anticiclón desciende y fluye hacia afuera con una rotación que sigue la dirección de las agujas del reloj. A medida que el aire desciende, la mayor presión existente en altitudes menores lo comprime y calienta en el gradiente vertical adiabático seco. Durante el día, la capa de inversión resultante de este proceso con frecuencia se eleva a cientos de metros sobre la superficie. Durante la noche, la base de una inversión por subsidencia desciende debido al enfriamiento del aire superficial. INVERSIÓN TÉRMICA POR SUBSIDENCIA Los días despejados y sin nubes característicos de los anticiclones propician las inversiones por radiación, de modo que se puede producir una inversión superficial durante la noche y una elevada durante el día. Si bien la capa de mezcla que se encuentra debajo de la inversión puede variar diariamente, nunca será muy profunda.

88 Otras formas posibles de desarrollo de una inversión térmica: - por el movimiento de una masa de aire desde una zona cálida a otra fría (el aire frío se sitúa abajo por ser mas denso y el aire cálido se sitúa a mayor altura por ser menos denso) -por el choque de dos masas de aire con humedad, presión y temperaturas diferentes (una masa polar y otra tropical). (Ver comentario inversión térmica en la pág. 198 del libro)

89 Inversión relacionada tanto con los frentes fríos como con los cálidos. En el avance de cada frente, el aire cálido desplaza al frío, de modo que se produce una circulación vertical mínima en la capa de aire frío más cercana a la superficie. La fuerza de la inversión depende de la diferencia de temperatura entre las dos masas de aire. Como los frentes se mueven horizontalmente, los efectos de la inversión generalmente duran poco y la falta de movimiento vertical suele compensarse con los vientos relacionados con el paso frontal. Sin embargo, cuando los frentes se vuelven estacionarios, las condiciones de inversión pueden prolongarse. INVERSIONES TÉRMICAS ADVENTICIAS O FRONTALES

90 4. Contaminación atmosférica 4.1 Concepto 4.2 Fuentes de la contaminación 4.3 Tipos de contaminantes 4.4 Dispersión de contaminantes