Dinámica de las masas fluidas

TEMA 4.
DINÁMICA DE LAS MASAS FLUIDAS
• LA ATMÓSFERA: COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
• COMPOSICIÓN.
La atmósfera se formó como consecuencia del proceso de desgasificación sufrido por la Tierra desde los
inicios.
Podemos clasificar los componentes atmosféricos en tres grupos:
• Mayoritarios.
Componente
N2
O2
Ar
CO2
Otros
% (en volumen)
78,0
20,9
0,93
0,03
0,14
• Minoritarios. Que por estar en muy pequeñas proporciones se miden en partes por millón y que se
dividen a su vez en reactivos y no reactivos.
REACTIVOS
CO
CH4
Hidrocarburos
Óxido nítrico (NO)
Dióxido de nitrógeno (NO2)
NH3
SO2
O3
no reactivos
He
Ne
Kr
Xe
H2
Óxido nitroso (N2O)
PPM
0,1 ppm
1,4 ppm
0,02 ppm
0,0020−0,0002 ppm
0,0040−0,0005 ppm
0,020−0,006 ppm
0,0013−0,00003 ppm
0,05−0 ppm
ppm
5,02 ppm
18,0 ppm
1,1 ppm
0,086 ppm
0,5 ppm
0,25 ppm
• Variables. Como el vapor de agua y los contaminantes, cuyas proporciones están sujetas a
fluctuaciones.
• ESTRUCTURA
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La atmósfera se encuentra dividida en una serie de capas superpuestas de características fisicoquímicas
diferentes.
• La troposfera.
Es la capa inferior de la atmósfera. Su altitud es variable estacionalmente (más alta en verano que en invierno)
y latitudinalmente.
La troposfera es la zona más densa de la atmósfera, pues, debido a la compresibilidad, los gases se concentran
en su parte más baja. Los primeros 500 metros se denominan capa sucia, porque en ellos se concentra el
polvo en suspensión. Este polvo contribuye a la coloración rojiza del cielo del amanecer y atardecer, sirviendo
además como núcleo de condensación que facilita el paso del vapor de agua atmosférico de gas a líquido.
Los fenómenos meteorológicos más importantes tienen lugar en esta parte de la atmósfera. La temperatura de
la troposfera es máxima en su parte inferior, y a partir de ahí comienza a descender con la altura hasta
alcanzar un valor mínimo (−70º C) en su parte final, la tropopausa.
• La estratosfera.
Se extiende desde el final de la troposfera hasta la estratopausa, situada a 50 ó 60 km de altitud. Existen
movimientos horizontales de aire, debido a su disposición en estratos superpuestos. Además, no existen
nubes, salvo en su parte inferior, en la que se forman unas de hielo cuya estructura es muy tenue
(noctilucientes). Desde el km 30 hasta la estratopausa tiene lugar un aumento progresivo en la formación del
ozono atmosférico.
• La mesosfera.
Se extiende desde los 50−60 km hasta la mesopausa, situada hacia el km 80. Su temperatura disminuye de
nuevo hasta aproximadamente −80ºC.
• La ionosfera o termosfera.
Esta parte de la atmósfera se prolonga por encima de la mesosfera. En ella la temperatura aumenta hasta unos
1.000ºC, debido a la absorción de las radiaciones solares de onda más corta. La termosfera finaliza en la
termopausa, situada hacia el km 600.
• La exosfera.
Es la última capa, y su límite viene marcado por una densidad atmosférica similar a la del espacio exterior.
• LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
Llamamos presión atmosférica al peso ejercido por la masa de aire atmosférico sobre la superficie terrestre.
Este valor se mide gracias al barómetro, y su valor a nivel del mar y en condiciones normales es de 1
atmósfera (760 mm Hg, 1.013 milibares).
El aire es muy compresible, por lo que la presión disminuye con la altura.
La presión suele representarse mediante isobaras, que son líneas que unen los puntos de igual presión.
• FUNCIÓN DE LA ATMÓSFERA COMO FILTRO PROTECTOR.
En la ionosfera, las radiaciones electromagnéticas de onda corta (rayos X y rayos gamma) son absorbidas por
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el H2 y el N2, y al ionizarse provocan el incremento en la temperatura de esta capa. Las capas ionizadas
poseen la facultad de reflejar las ondas de radio procedentes del Sol y de la Tierra.
En la estratosfera se encuentra la mayor parte del ozono atmosférico, aunque también exista en la troposfera.
El ozono es una molécula triatómica (O3) gaseosa y de olor picante. Se concentra entre los 15 y los 30 km de
altura, aunque abunda más hacia los 25 km. La capa de ozono presenta un espesor variable, máximo en el
ecuador y mínimo en los polos, siendo este gas transportado de unos lugares a otros por la circulación
horizontal de esta capa.
Las cantidades de ozono estratosférico sufren variaciones diarias y estacionales, en función de la radiación
solar.
• FUNCIÓN REGULADORA DE LA ATMÓSFERA.
La cantidad de radiación incidente sobre la Tierra, o balance de radiación solar, depende de factores como la
distancia al Sol, la estructura física y la composición química de la atmósfera
• El efecto invernadero natural.
El efecto invernadero lo observamos en nuestra troposfera, pero se puede producir en cualquier planeta cuya
atmósfera posea moléculas poliatómicas CO2, H2O, CH4 y N2O. Gracias a él existe agua líquida, y por tanto
vida sobre la Tierra, pues la temperatura media del planeta es de unos 15º C.
• CONDICIONES DE ESTABILIDAD E INESTABILIDAD ATMOSFÉRICA
• Anticiclón o buen tiempo.
La situación conocida como subsidencia es inversa a la convección, pues la propicia el descenso hacia la
superficie de una masa de aire frío que se va secando por calentamiento. En superficie, las subsidencias van a
generar un anticiclón por incremento en la presión atmosférica. Debido al aplastamiento contra el suelo, los
vientos partirán desde el centro hacia fuera, impidiendo la entrada de precipitaciones, con lo que el tiempo
será seco.
Las altas presiones o anticiclón están asociadas a un descenso del gradiente de temperatura y a la formación
de inversiones térmicas en la atmósfera inferior.
• Ciclón o borrasca.
La inestabilidad atmosférica se produce cuando existen movimientos ascendentes de una masa de aire cuya
temperatura varíe conforme al gradiente dinámico GAS (1ºC/100 m), en el seno de una masa aérea estática o
ambiental, cuyas variaciones térmicas verticales se correspondan con el GVT. Para que el ascenso sea posible
tiene que cumplir la relación GVT>GAS o, lo que es lo mismo, que el aire exterior se enfríe más deprisa que
el interior. Al existir movimientos verticales, el aire ascendente va a crear una especie de vacío en superficie
que da lugar a un descenso de presión o situación de borrasca y una afluencia del viento circundante que es
atraído hacia el centro de la misma, pudiéndose producir precipitaciones en los casos en los que la masa
ascendente llegue a condensar.
Las condiciones de inestabilidad atmosféricas son propicias para la eliminación de la contaminación, ya que el
aire ascendente provoca la elevación y dispersión de la misma.
• Gradiente vertical de temperatura (GVT).
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Este gradiente representa la variación vertical en la temperatura del aire en condiciones estáticas de reposo,
que suele ser, de unos 0,65ºC/100 m. Dicha cantidad no es uniforme.
• Inversión térmica.
Es el espacio en el cual la temperatura aumenta con la altura en vez de disminuir. Las inversiones térmicas
impiden los movimientos verticales del aire y pueden representarse a cualquier altura de la troposfera.
• EL CICLO DEL AGUA
El ciclo del agua es un sistema cerrado y, además, una máquina térmica que, al estar formada por un fluido de
elevado calor específico, constituye un eficaz mecanismo de transformación de la energía solar en calor
latente y sensible, y posee una elevada capacidad de transporte de los mismos a través de todos los sistemas
terrestres.
El agua pasa de la hidrosfera a la atmósfera mediante la evaporación, proceso originado por la
transformación del calor sensible en calor latente. El enfriamiento ascendente produce su condensación y la
formación de nubes, y por medio de la precipitación el agua es devuelta en forma líquida o sólida a la
superficie terrestre. El agua que cae sobre el continente puede seguir varios caminos: el de escorrentía
superficial, que consiste en su desplazamiento en superficie hacia las zonas más bajas, ya sea de manera libre
o encauzada por los ríos; la retenida, cuya cantidad está en función de las características de empapamiento
del suelo, del clima y de la acción de los seres vivos que la incorporan, y el de infiltración, que atravesando
las capas permeables del terreno, se incorpora a las aguas freáticas.
El transporte hasta el mar va a estar supeditado a su energía potencial, que es directamente proporcional a la
masa de agua, a la fuerza de gravedad y a su altitud respecto al nivel del mar. El agua que se incorporó a la
biosfera retorna a la atmósfera por el proceso de transpiración.
• DINÁMICA OCEÁNICA.
• CORRIENTES SUPERFICIALES
El desplazamiento de estas corrientes están está marcado por el sentido de los vientos dominantes, aunque su
trayectoria puede ser modificada por la presencia de masas continentales que dificultan la transferencia de
calor hacia las zonas polares, favoreciendo la formación de casquetes de hielo.
Las trayectorias más significativas son de tipo anticiclónico en ambos hemisferios. El giro lo inician los
alisios, que las desplazan hacia el oeste, originando aridez en la margen continental que abandonan, al
arrastrar las nubes con ellas. Al llegar a las proximidades de las costas occidentales retornan, constituyendo la
denominada deriva del oeste. Cuando alcanzan las costas orientales, estas corrientes sufren una doble
desviación: hacia las zonas polares (suavizando su clima) y hacia las ecuatoriales (refrescándolas).
También están las frías del polo norte que discurren paralelas a las costas occidentales, como la corriente del
Labrador, la de Kanchatka y la de Groenlandia. La corriente circumpolar antártica, rodea sus costas en sentido
horario.
• CORRIENTES PROFUNDAS
Estos desplazamientos se originan debido a las diferencias en la densidad del agua, que es mayor cuanto más
fría y/o salada esté aquélla, tendiendo a hundirse para dar lugar a una circulación termohalina
(temperatura−salinidad).
El motor oceánico funciona con la energía solar, de arriba abajo, siendo el enfriamiento invernal de las capas
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superiores el que origina el descenso y provoca un afloramiento del agua más profunda y cálida para ocupar
su lugar.
En ciertas ocasiones el descenso puede verse dificultado por aporte de agua dulce o por la existencia de una
precipitación superior a la evaporación. En lugares donde la evaporación es elevada o el enfriamiento
superficial es fuerte, el agua fría y más salada se hundirá, alcanzando el fondo.
En la zona donde los alisios desplazan el agua superficial, originando el inicio de las corrientes superficiales
de giro anticiclónico, se produce el ya conocido afloramiento de aguas frías desde las profundidades en
sustitución de la desplazada por los citados vientos.
• EL FENOMENO DEL NIÑO
Se viene observando aproximadamente cada cuatro años por Navidad: los alisios amainan, no se produce el
afloramiento, se forma la termoclina, el agua superficial se caldea, la nubes quedan rezagadas en la costa este
con la formación de una borrasca sobre la zona, habitualmente árida, y la riqueza pesquera decae.
Algunos científicos piensan que puede ser producto del calentamiento climático generalizado; otros buscan la
explicación en una reactivación de la actividad volcánica en las dorsales oceánicas próximas.
• LA INFLUENCIA DE LA GEOLOGÍA EN LOS CAMBIOS CLIMÁTICOS.
• LA DESIGUAL DISTRIBUCIÓN DE TIERRAS Y MARES.
La teoría de la deriva continental (Weneger) y la de la tectónica de placas avalan el hecho de que la
distribución de los continentes ha sufrido grandes modificaciones a lo largo de los tiempos geológicos. La
presencia de un supercontinente (Pangea), además de frenar y modificar las corrientes oceánicas y
atmosféricas va a fomentar las condiciones anticiclónicas continentales persistentes, con vientos divergentes
desde el interior del mismo y grandes contrastes de temperatura entre las zonas ecuatoriales y las polares.
• La glaciación del Carbonífero.
Tuvo lugar a finales del Paleozoico y afectó solamente al polo sur y a las cumbres de las cadenas montañosas
más elevadas. El ensamblaje de la Pangea va a dar lugar a la orogenia hercínica, que provoca el enterramiento
de bosques de helechos, dando lugar a yacimientos de carbón. La fusión continental se completó en el
Pérmico, último periodo del Paleozoico, originando un clima árido y desértico que se prolongó hasta el
Triásico medio (primer periodo del Mesozoico), momento en el que la Pangea comienza su fragmentación.
• La extinción de los dinosaurios.
Durante el Jurásico, la Pangea II se está dividiendo en dos continentes, uno al norte y otro al sur. La apertura
de los grandes océanos produce cambios en las corrientes oceánicas, aumentando el transporte de calor hacia
altas latitudes. El clima se hace tropical y muy favorable para el desarrollo de los grandes reptiles.
• LAS ERUPCIONES VOLCÁNICAS
Las erupciones volcánicas, al igual que las nubes, ejercen un efecto dual sobre el clima, en función de sus
emisiones.
• LAS VARIACIONES DE INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN INCIDENTE
Las glaciaciones del Cuaternario se han estudiado a partir de testigos de hielo de los glaciares, comprobando
que las burbujas de aire atrapadas en ellos contienen menor cantidad de CO2 durante los periodos de
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enfriamiento. Se ha buscado la explicación en las diferencias en la cantidad de radiación incidente sobre la
Tierra, los denominados ciclos astronómicos de Milankovith, o en la frecuencia de manchas solares. Los
ciclos astronómicos se deben a tres factores:
• La excentricidad de la órbita que describe la Tierra en torno al Sol, que ha variado de circular a
elíptica aproximadamente cada 100.000 años.
• La oblicuidad del eje respecto al plano de la elíptica, que determinará las características estacionales.
• La posición en el perihelio: cuando existe excentricidad la iluminación depende de la posición en la
órbita, es decir, de si el verano coincide en el perihelio (posición más próxima al Sol) o en afelio
(posición más alejada del Sol). Cuando el verano del hemisferio norte coincide en perihelio existirá un
mayor contraste térmico en dicho hemisferio, lo que generará un transporte de calor ecuador−polos
más eficaz.
CIENCIAS DE LA TIERRA Y DEL MEDIO AMBIENTE
1ª EVALUACIÓN 3
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