Física de la atmósfera, fenómenos y observación meteorológica en la Universidad

Contenido

1. INTRODUCCIÓN
2. BREVE ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA
3. PROPIEDADES ÓPTICAS
4. MASA
5. COMPOSICIÓN QUÍMICA
6. ESTRUCTURA VERTICAL. CAPAS ATMOSFÉRICAS
7. VARIACIÓN DE LA DENSIDAD Y LA PRESIÓN CON LA ALTURA
8. PERFIL TÉRMICO
9. VARIACIÓN CON LA LATITUD
10. EL CAMPO ELÉCTRICO
11. BALANCE ENERGÉTICO TERRESTRE
12. LA RADIACIÓN SOLAR
13. RADIACIÓN INCIDENTE Y REFLEJADA
14. EFECTO INVERNADERO
15. BALANCE ENERGÉTICO TERRESTRE
16. OBSERVACIÓN METEREOLÓGICA
17. LOS OBSERVATORIOS METEOROLÓGICOS
18. LOS SATÉLITES METFREOLÓGICOS
19. FENÓMENOS ATMOSFÉRICOS
20. LOS VIENTOS
21. FUERZAS QUE INTERVIENEN EN LA DIRECCIÓN DEL VIENTO.
22. CLASIFICACIÓN DE LOS VIENTOS.
23. VIENTOS A ESCALA PLANETARIA
24. HUMEDAD ATMOSFÉRICA
25. ROCÍO, ESCARCHA Y NIEBLA.
26. EFECTO FÓHN
27. NUBOSIDAD Y PRECIPITACIÓN
28. TIPOS DE NUBES
29. FORMACIÓN DE UNA PRECIPITACIÓN. TIPOS
30. LAS TORMENTAS
31. PAPEL PROTECTOR DE LA ATMÓSFERA. ALTERACIONES DEBIDAS A LA CONTAMINACIÓN.
32. EFECTO PROTECTOR DE LA IONOSFERA Y DE LA OZONOSFERA ..
33. FUNCIÓN REGULADORA DE LA ATMÓSFERA. EFECTO INVERNADERO
34. ALTERACIONES DEBIDAS A LA CONTAMINACIÓN
35. REDUCCIÓN DE LA CAPA DE OZONO
36. LLUVIA ÁCIDA
37. EFECTO INVERNADERO ANTROPOGÉNICO
38. MEDIDAS PARA SU PROTECCIÓN
39. INNOVACIÓN .- Pavimentos Fotocatalíticos: Innovación en la Lucha Contra la Contaminación Atmosférica
40. RELACIÓN CURRICULAR
41. CONCLUSIÓN

Introducción a la Física Atmosférica

¿Alguna vez te has preguntado por qué el cielo es azul o cómo los cambios en la atmósfera pueden afectar a nuestro clima? La respuesta a estas y muchas otras preguntas fascinantes reside en la física de la atmósfera. Este campo de estudio, una mezcla intrigante de física, química y dinámica de fluidos, nos permite explorar y comprender la estructura y evolución de las atmósferas planetarias, incluyendo la nuestra.

La atmósfera terrestre no es solo una capa de aire que rodea nuestro planeta; es un sistema dinámico y complejo que juega un papel crucial en todo, desde el clima y el tiempo meteorológico hasta la propagación de ondas de radio. Además, su estudio es más relevante que nunca en un mundo donde la contaminación y el cambio climático están en el centro de muchas discusiones científicas y políticas.

En este tema, nos adentraremos en la ciencia atmosférica, una disciplina relativamente nueva pero de creciente importancia. Veremos cómo esta rama de las geociencias nos ayuda a comprender los diversos fenómenos que ocurren en la atmósfera, cómo nos protege y cómo nosotros, a su vez, podemos protegerla. A través de este fascinante viaje, descubriremos cómo la atmósfera influye en nuestra vida diaria y en el futuro del planeta.

Estudio de la Atmósfera

Se ofrecerá una visión general de las propiedades ópticas, la composición y la estructura vertical de la atmósfera terrestre, los principales sistemas de vientos y la distribución climatológica media de las precipitaciones.

Propiedades Ópticas de la Atmósfera

La atmósfera terrestre tiene un papel crucial en la manera en que percibimos nuestro mundo. A través de sus propiedades ópticas, transforma la luz que nos llega del sol y crea fenómenos visuales que a menudo damos por sentado. En este apartado, exploraremos cómo la atmósfera interactúa con la radiación solar y las implicaciones de estas interacciones.

Transparencia y Opacidad Atmosférica

• Transparencia a la Radiación Solar Entrante: La atmósfera es relativamente transparente a la luz solar, permitiendo que la mayor parte de esta radiación llegue a la superficie terrestre.
• Opacidad a la Radiación Saliente: Por otro lado, la atmósfera es opaca a la radiación infrarroja emitida por la Tierra, contribuyendo al efecto invernadero y regulando así la temperatura del planeta.

Efecto Invernadero y Retención de Calor

• Mecanismo de Retención de Calor: La atmósfera atrapa el calor, manteniendo la superficie terrestre más cálida de lo que estaría en ausencia de esta capa gaseosa.
• Rol de Gases y Nubes: Las moléculas de aire y las gotas de las nubes juegan un papel significativo en la absorción y reemisión de esta radiación.

Dispersión de la Radiación Solar

• Color Azul del Cielo: La dispersión de Rayleigh ocurre cuando las moléculas de aire dispersan preferentemente la radiación solar entrante de longitud de onda corta, resultando en el cielo azul que vemos.
• Blancura de las Nubes: La dispersión por las gotas de las nubes y los aerosoles atmosféricos contribuye a la blancura de las nubes, especialmente cuando la luz solar se retrodispersa en la parte superior de la cubierta de nubes.

Teledetección y Retrodispersión de la Radiación

• Observación de la Atmósfera: La radiación emitida al espacio por moléculas de aire y gotas de nubes permite la teledetección de la distribución tridimensional de la temperatura y de los componentes atmosféricos mediante sensores a bordo de satélites.
• Retrodispersión de la Radiación Solar: Aproximadamente el 22% de la radiación solar entrante es retrodispersada al espacio por nubes y aerosoles, teniendo un efecto de enfriamiento en la superficie de la Tierra.

Masa Atmosférica

La masa de la atmósfera, aunque a menudo no se percibe directamente, ejerce una influencia significativa en varios fenómenos meteorológicos y climáticos. Este apartado aborda cómo la masa de la atmósfera interactúa con la fuerza gravitatoria de la Tierra y las implicaciones de esta relación.

Fuerza Descendente y Presión Atmosférica

• Influencia de la Gravedad: La atmósfera ejerce una fuerza descendente sobre la superficie terrestre debido a la atracción gravitatoria de la Tierra.
• Cálculo de la Fuerza y Presión: La fuerza descendente (peso) de una unidad de volumen de aire se calcula a través de la ecuación F=Pg, donde P es la presión y g la aceleración debida a la gravedad.

Determinación de la Presión Atmosférica

• Integración desde la Superficie hasta la "Cima" de la Atmósfera: La integración de la ecuación de presión a lo largo de la columna de aire proporciona la presión atmosférica en la superficie terrestre.
• Relación con la Masa de la Atmósfera: La presión en la superficie terrestre, ps, es igual a la masa vertical integrada por unidad de área del aire superior.

Cálculo de la Masa Total de la Atmósfera

• Ecuación de Masa Atmosférica: m=[pdz, donde m es la masa vertical integrada por unidad de área del aire superior y dz representa un elemento diferencial de altura.
• Total de Masa Atmosférica: La masa total de la atmósfera es aproximadamente 5.1×10185.1×1018 kg.

Composición Química de la Atmósfera

El aire que respiramos es una mezcla compleja de varios gases y partículas. Este segmento se centra en la composición química de la atmósfera, destacando los distintos componentes y su relevancia en el contexto atmosférico.

Características Generales de la Composición Atmosférica

• Mezcla Mecánica de Gases: El aire es una mezcla de diferentes gases, cada uno con sus propias fuentes y sumideros en la superficie terrestre.
• Diversidad de Componentes: La atmósfera contiene partículas sólidas y líquidas en suspensión, además de gases.

Tiempo de Residencia y Balance Dinámico

• Cálculo del Tiempo de Residencia (t): Se calcula dividiendo la masa total (M) de un gas en la atmósfera por la tasa a la que se elimina (¢in), en Kg/año. M T = Du Pin
• Equilibrio Dinámico: Concepto importante en sistemas como el ciclo del nitrógeno, donde los flujos de entrada y salida están equilibrados.

Proporciones y Concentraciones de Gases Atmosféricos

• Principales Gases y sus Proporciones: Incluye la concentración porcentual en volumen de gases como Nitrógeno (N2), Oxígeno (O2), Argón (Ar), Dióxido de Carbono (CO2), entre otros.
• Gases Variables Importantes: Gases como el vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2) y el ozono (O3), cuyas concentraciones varían significativamente en el tiempo y en el espacio.

componente % volumen aire seco ppm de aire Tiempo de residencia nitr-gao (N2) 78.084 1.6. 107 ox'geno (O2) 20.946 3 000-10 000 argon (Ar) 0.934 neon (Ne) 0.00182 18.2 helio (He) 0.000524 5.24 10° a-os metano (CH4) 0.00015 1.5 9 a-os kripton (Kr) 0.000114 1.14 hidr gao (H2) 0.00005 0.5 4-8 a-os variables vapor de agua (H2O) 0-5 10 d'as di-ido de carbono (CO2) 1 0.0340 340 3-4 mon-ido de carbono (CO) ≤ 100 60 d'as di-ido de azufre 0-1 1 d'a di-ido de nitr-gao (NO 2) 0-0.2 0.5 II2 d'as ozono (03) 0-10 100 d'as Principales gases atmosféricos Argon Carbon Dioxide all others Oxygen 21% Nitrogen 78%

Variabilidad y Homogeneidad en la Atmósfera

• Homogeneidad en la Homosfera: Hasta unos 75-80 km, donde la composición de la atmósfera es bastante uniforme, conocida como homosfera.
• Heterogeneidad en la Heterosfera: Por encima de esta altitud, la concentración de gases más ligeros aumenta relativo a los más pesados, formando la heterosfera.

Estructura Vertical y Capas Atmosféricas

La atmósfera terrestre no es una masa uniforme de aire, sino que está estratificada en distintas capas, cada una con características únicas. En este apartado, examinaremos cómo la estructura vertical de la atmósfera se organiza en diferentes capas, enfocándonos en sus propiedades y fenómenos asociados.

Estratificación Básica de la Atmósfera

• Capas Definidas por Propiedades Físicas: La densidad, presión, temperatura y humedad varían significativamente entre las diferentes capas atmosféricas.
• Interacciones Verticales y Horizontales: Los gradientes verticales de temperatura y presión son generalmente más pronunciados que los horizontales.

Homosfera y Heterosfera

• Homosfera: Hasta aproximadamente 80 km, donde la composición de la atmósfera es relativamente uniforme.
• Heterosfera: Por encima de la homosfera, las concentraciones de gases varían según la altitud, con gases más ligeros predominando a mayores alturas.

HETEROSFERA Hasta 10000 KM. Temperatura en ºC -80 0 100 Capas H y He. La atmósfera se extiende hasta unos 10.000 km Hidrógeno EXOSFERA km Helio Poca densidad. Oxigeno atómico -120 TERMOSFERA o IONOSFERA Nitrógeno molecular - 90 < Hasta 600 km. MESOSFERA Difusión homogénea de todos los gases Muchos iones -60 Estratopausa TERMOSFERA Absorbe rayos X y gamma Capa de -30 ozono Aumenta Tª 1500° -15 Tropopausa > TROPOSFERA Auroras boreales Temperatura en ºC -80 0 100 Relexión ondas radio Capas Atmosféricas Específicas

1. Troposfera:
   • La capa más cercana a la Tierra, donde ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos.
   • Tropopausa: Límite superior marcado por un cambio en el gradiente de temperatura.
2. Estratosfera:
   • Contiene la mayor parte del ozono atmosférico, que absorbe la radiación ultravioleta.
   • Estratopausa: Límite superior caracterizado por un máximo de temperatura.
3. Mesosfera:
   • Temperatura decreciente con la altitud.
   • Mesopausa: Límite superior marcado por un mínimo de temperatura.
4. Termosfera:
   • Aumento de temperatura con la altitud.
   • Influenciada por procesos de disociación molecular y fotoionización.
5. Exosfera:
   • La capa más externa de la atmósfera.

Heterosfera Mesapausa ESTRATOSFERA Homosfera