Introducción a la atmósfera - Unidad de Ciencias de la Atmósfera

Taller de Introducción a la Meteorología
Segundo Semestre 2010
Dr. Gustavo V. Necco
IMFIA – FING/ IF - FCIEN
Introducción a
la atmósfera
Earth System
Sciences
(ESS)
Criósfera
Atmósfera
H~30 km
R=6370 km
Biósfera
Hidrósfera
Litósfera
Esfera rotando
360 grados cada
24 horas
La atmósfera
La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve la Tierra.
Es difícil determinar exactamente su espesor, puesto que los gases que la
componen se van haciendo menos densos con la altura, hasta prácticamente
desaparecer a unos pocos cientos de kilómetros de la superficie.
La atmósfera está formada por una mezcla de gases, la mayor parte de los
cuales se concentra en la denominada homosfera, que se extiende desde el
suelo hasta los 80-100 kilómetros de altura.
El 99,00% de la masa total de la atmósfera se encuentra por debajo de los 30
km de altura. A esta altura, su espesor relativo al radio terrestre resulta ser
muy pequeño: 1 en 200 (30km/6000km), y por consiguiente se presenta
como una capa muy delgada sobre una esfera rotante (la tierra).
Composición de la atmósfera
Es importante recordar que la concentración de estos gases varía con la
altura, siendo especialmente acusadas las variaciones del vapor de agua,
que se concentra sobre todo en las capas próximas a la superficie.
Las capas de la
atmósfera
Según su estructura térmica
vertical
ionosfera
Las capas de la atmósfera
TROPOSFERA : es la capa más cercana a la superficie, que se
extiende hasta unos 12 km sobre ella (unos 19 km en el Ecuador y
unos 9 km sobre los Polos). La temperatura disminuye a una tasa
promedio de 6.5 °C por kilómetro.
En esta capa, que concentra un 80% de toda la masa de la atmósfera, ocurren
los fenómenos meteorológicos más relevantes. En el límite superior de la
tropósfera, denominado TROPOPAUSA, donde la temperatura deja de
disminuir, la temperatura es cercana a -55°C.
ESTRATOSFERA: se encuentra por encima de la tropósfera y se
extiende hasta unos 45 km. En ella la temperatura aumenta con la
altura hasta un valor cercano a 0°C en su límite superior denominado
ESTRATOPAUSA.
La concentración de masa atmosférica en los niveles superiores de la
estratósfera y en las capas por encima de ella es tan baja (recuerde que un
99% de la masa está concentrada por debajo de los 30 km aproximadamente)
que el significado de la temperatura no es el mismo que tiene a nivel de la
superficie del planeta.
Las capas de la atmósfera
Por encima de la estratósfera la temperatura disminuye con la altura,
definiendo la capa denominada MESOSFERA, la cual culmina a unos
80 km de altitud donde la temperatura es del orden de -90°C
(MESOPAUSA).
Por encima de ese nivel, y hasta un nivel superior no bien definido la
temperatura vuelve a aumentar con la altura definiendo la capa
denominada TERMOSFERA.
Estas capas se han definido teniendo en cuenta el perfil térmico vertical.
También se distinguen otras capas, como la OZONOSFERA, entre los 12 y 50
km de altura, donde se encuentra el máximo de ozono (O3) y la IONOSFERA,
una extensión de la termosfera, entre los 90 y 1.100 kilómetros de altura, donde
existen capas formadas por átomos cargados eléctricamente, llamados iones. Al
ser una capa conductora de electricidad, es la que posibilita las transmisiones de
radio y televisión por su propiedad de reflejar las ondas. También se producen
allí las auroras
Circulación general de la atmósfera
La radiación solar
(Calentamiento diferencial)
Circulación general de la atmósfera
(a)
(b)
FRIO
CAL
CAL
FRIO
FRIO
CAL
CAL
FRIO
En el sistema Tierra-Atmósfera el calentamiento diferencial (a) por
la radiación origina (b) circulaciones atmosféricas.
Convección (en sentido amplio)
Movimiento vertical resultante del calentamiento diferencial del aire por el
contraste de temperaturas en superficie.
AIRE
FRIO
DENSO
AIRE
CALIENTE
LIVIANO
ADVECCION
SUPERFICIE FRIA
SUPERFICIE CALIENTE
El flujo horizontal debido a una corriente convectiva es el « viento ».
La convección en escalas grandes y pequeñas explican tanto las
circulaciones hemisféricas como los vientos locales. El flujo horizontal se
denomina « advección », pero normalmente se usa este término para el
transporte de propiedades atmosféricas : p.e. advección caliente; advección
fría, advección de vapor de agua.
La fuerza de Coriolis
Efecto de la rotación terrestre
máximo en los polos
Nulo
en el Ecuador
Nomenclatura global
90°N Polo Norte
H.S.
B
er
idi
Flujo meridional
Ecuador
m
L
an
o
Rotación ciclónica:
En el mismo sentido
que la rotación de la
tierra
polar
subpolar
Rotación
anticiclónica:
Latitud =
En sentido contrario
60°N
al de la rotación de la
tierra
latitudes medias
Paralelo 30
subtropical
30°N
Flujo zonal
ecuatorial
o tropical
H
0°
subtropical
30°S
90°W 60°W = longitud
A
latitudes medias
subpolar
polar
90°S Polo Sur
60°S
H.S.
Circulación general de la atmósfera
Celda de Ferrel
Celda de Hadley
Supone una Tierra
de superficie lisa
y uniforme
Circulación general de la atmósfera
La rotación de la Tierra
desvía los vientos hacia la
derecha en el H.N. y hacia
la izquierda en el H.S.
Vientos del Oeste
Alisios del NE
Corriente en chorro
polar
Anticiclones
subtropicales
Zona de Convergencia
InterTropical (ITCZ)
Celda de Hadley
Alisios del SE
Corriente en chorro
subtropical
Corriente en chorro
polar
Supone una Tierra
de superficie lisa
y uniforme
Relación entre presión y viento:
Depresión en superficie
Relación entre presión y viento:
Anticiclón en superficie
Circulación alrededor de los sistemas báricos en superficie
En superficie el viento se dirige,en espiral, desde los centros de alta
presion hacia los centros de baja presión, cruzando las lineas
isobaras con un ángulo (debido al frotamiento)
La corriente en chorro (Jet-stream)
La corriente en chorro es un máximo de viento en altura, muy angosto y chato,
que ondula alrededor del globo en forma de ondas. Se posicionan en las zonas
de máximo contraste térmico.
Pueden existir en zonas subtropicales, aunque son menos intensos que los de
latitudes medias.
La corriente en chorro (Jet-stream)
Gemini XII
Corriente en chorro sobre el Valle del Nilo y el Mar Rojo
Ondas en altura
Debido al gradiente de temperatura y a la rotación terrestre se forman ondas
de miles de km de longitud en la corriente en chorro situada por encima del
frente polar
L
H
B
Estas ondas crecen de amplitud y las masas de aire frias y calidas se
desprenden formando centros de baja presión (fríos) y de alta presión
(calientes) en altura que dominan el tiempo en latitudes medias (sistemas
dinámicos).
A
La corriente en chorro (Jet-stream)
Ejemplos
21 Agosto 06
06:00 PM GMT
Interpretación de las imágenes de los satélites meteorológicos
VISIBLE (VIS)
Las imágenes en el espectro visible
representan la cantidad de luz que es
reflejada hacia el espacio por las nubes o
la superficie de la tierra.
El agua y la tierra sin nubes son
normalmente oscuras, mientras que las
nubes y la nieve se presentan brillantes.
Las nubes espesas son más reflectivas y
aparecen más brillantes que las tenues.
Sin embargo, en estas imágenes del
espectro visible es difícil discernir entre
nubes altas y bajas.
Para esto son útiles las imágenes de
satélite en el infrarrojo.
Las imágenes en el espectro visible no se
pueden obtener en ausencia de luz solar.
Interpretación de las imágenes de los satélites meteorológicos
INFRARROJO (IR)
Las imágenes del infrarrojo representan la
radiación infrarroja emitida por las nubes
o la superficie de la tierra. En realidad,
son medidas de temperatura.
En una imagen infrarroja, los objetos más
calientes aparecen más oscuros que los
fríos. Las zonas sin nube serán
normalmente oscuras, pero también las
nubes muy bajas y la niebla pueden
aparecer oscuras. Casi todas las otras
nubes se presentarán claras.
Las nubes altas son más claras que las
bajas.
Interpretación de las imágenes de los satélites meteorológicos
VAPOR DE AGUA (WV)
Las imágenes de vapor de agua
representan la cantidad de vapor de
agua de la atmósfera.
Son útiles para indicar zonas de aire
húmedo y seco.
Los colores oscuros indican aire seco,
mientras que un blanco más brillante
indica que el aire es más húmedo.
Zona de convergencia intertropical
Grupos
de nubes
convectivas
Zonas
frontales
Vórtice
ciclónico
(Baja o
depresión)
VIS
IR realzado
NEPH
Qué es meteorología?
• Aéreos : viento
• Acuosos: lluvia, nieve, granizo
• Luminosos: arco iris, halos, auroras
• Eléctricos: rayo
Variables fundamentales:
> Presión
> Temperatura del aire
> Humedad
Elemento meteorológico
Variable atmosférica (P,T,H, viento) o fenómeno meteorológico (tormentas, nieblas,
ciclones, anticiclones, etc) que caracterizan el estado del tiempo en un lugar
específico y en un momento dado.
La Meteorología dentro de la Ciencia del Sistema Tierra (CST)
(ESS: Earth System Science)
OMM No 258, Vol. I,
Cuarta edición, 2001
Al tratar con la descripción
pasada, presente y futura
del completo sistema del
clima, la climatología
moderna ha obtenido un
alcance mayor
La tendencia es hacia una Ciencia del Sistema Tierra en conjunto (CST), lo cual implica una
aproximación integrada del estudio de la Tierra para explicar su dinámica, su evolución y el cambio
global. En esta aproximación, la Tierra es considerada como un sistema unificado de componentes
que interactúan.
Escalas espaciales y temporales de fenómenos meteorológicos
(Tormenta severa)
(WMO No. 993, 2006)
Algunas ramas de la meteorología
¾ Teórica
¾ Física
¾ Dinámica
¾ Experimental
¾ Sinóptica
¾ Micrometeorología
¾ Mesometeorología
¾ Macrometeorología
¾ Hidrometeorología
¾ Médica
¾ Aplicada
- Aeronáutica
- Marítima
- Agrícola (o Agrometeorología)
Estaciones meteorológicas
Observaciones meteorológicas
- Metódicas
- Sistemáticas
- Uniformes
- Ininterrumpidas
- A horas fijas
Tipos de observaciones
- Sinópticas
- Climatológicas
- Aeronáuticas
- Marítimas
- Agrícolas
- De altitud
- Otras (especiales – contaminacion, radiación, etc)
Horas
- en superficie
- en altitud
- aeronáuticas
Horas principales: 00:00 06:00 12:00 18:00 UTC
Horas intermedias: 03:00 09:00 15:00 21:00 UTC
00:00 12:00 UTC
horarias, en el momento del despegue o aterrizaje;
en vuelo en cualquier momento
Sistema Mundial de Observaciones
Estaciones en superficie
Alrededor de 11000 estaciones terrestres (4000 intercambian informacion en tiempo real)
Sistema Mundial de Observaciones
Estaciones en altitud
From a network of
Alrededor de 900 estaciones de altura lanzan diaramente radiosondas una o dos veces
al día (15 buques en áreas oceánicas)
Sistema Mundial de Observaciones
Observaciones marítimas
Alrededor de 7000 buques. (40 % en el mar en un momento dado) Se complementan
con alrededor de 900 boyas a la deriva.
Sistema Mundial de Observaciones
Observaciones aeronáuticas
Más de 3000 aviones reportan P, T y viento durante el vuelo. El sistema Aircraft
Meteorological Data Relay (AMDAR) da viento y T de alta calidad en el ascenso,
descenso y en crucero( 78000 informes en el 2000 / 300000 en el 2005).
Sistema Mundial de Observaciones
Satélites meteorológicos
5 orbitales
6 geoestacionarios
Tiempo y clima
Cuando la repentina entrada de un frente frío nos arruina nuestros planes
del fin de semana de salir al campo, nos estamos refiriendo a un fenómeno
meteorológico que puede durar desde varias horas a varios días. Estamos
hablando de “tiempo” (meteorológico).
Cuando afirmamos que en nuestra ciudad los inviernos son muy fríos y
secos, estamos considerando un periodo de tiempo de decenas de años
para realizar una valoración promedio de las temperaturas y precipitaciones
invernales. En este caso, estamos hablando del « clima » de nuestra
ciudad.
Podríamos decir que el clima es la síntesis del tiempo. Formalmente, el
clima se define como el conjunto de estados de tiempo atmosférico que se
producen en una determinada región y que otorgan a ésta una particular
idiosincrasia. El concepto de clima incluye no sólo los valores medios de las
variables meteorológicas, sino también sus extremos.
Factores climáticos
La palabra clima tiene su origen en el idioma griego y significa
inclinación.
En la distribución de las zonas climáticas de la Tierra intervienen lo que
se ha denominado factores climáticos, tales como la latitud, altitud y
localización de un lugar y dependiendo de ellos variarán los elementos
del clima.
Justamente la latitud es uno de los factores principales que determinan
las grandes franjas climáticas. En ello interviene por un lado la
inclinación del eje de la Tierra respecto del plano orbital (23.5°) y, por
otro, la forma esférica de la Tierra, ya que su mayor extensión en el
Ecuador permite un mayor calentamiento de las masas de aire en estas
zonas permanentemente; disminuyendo progresivamente desde los
Trópicos hacia los Polos, que quedan sometidos a las variaciones
estacionales según la posición de la Tierra en su movimiento de
traslación alrededor del Sol.
23.5°
Estaciones del año
Equinoccio
de marzo
Solsticio
de junio
SOL
Solsticio de
diciembre
Plano orbital
Equinoccio de
septiembre
Verano H.N.
Invierno H.N.
Luz solar
Máxima recepción de radiación
por unidad de superficie
Luz solar
Mínima recepción de radiación
por unidad de superficie
Zonas climáticas y clases de climas
Efecto invernadero
Dentro de un invernadero la temperatura es más alta que en el exterior
porque entra más energía de la que sale, por la misma estructura del
habitáculo, sin necesidad de calefacción para calentarlo.
En la atmósfera se produce un efecto natural similar de retención del calor
gracias a algunos gases atmosféricos llamados de «efecto invernadero»
{entre ellos el dióxido de carbono (CO2), el vapor de agua (H2O) y el
metano (CH4)}.
El «efecto invernadero» hace que la temperatura media de la superficie de
la Tierra sea 33ºC mayor que la que tendría si no existieran gases con
efecto invernadero en la atmósfera.
La temperatura media en la Tierra es de unos 15ºC y si la atmósfera no
existiera sería de unos -18 ºC.
Se le llama efecto invernadero por similitud, porque en realidad la acción física por la
que se produce es muy distinta a la que sucede en el invernadero de plantas.
Se estima que la intensificación de este efecto por la actividad humana, que
aumenta la concentración de gases de efecto invernadero, es un factor mayor en el
actual calentamiento global de la atmósfera.
Efecto invernadero natural
Mantiene la temperatura media global de la
atmósfera a unos 15°C. Si no existiera ésta
sería de –18°C
Algo de la
radiación solar se
refleja por la tierra
y la atmósfera
La radiación solar
pasa a través de
la atmósfera
El resultado es el
calentamiento de la
superficie terrestre y de la
baja atmósfera
Pero la mayoría es absorbida por la superficie
terrestre y la calienta (radiación IR). Parte de la
radiación infrarroja pasa a través de la
atmósfera y parte es reabsorbida y reemitida
en todas direcciones por las moléculas de
gases con efecto invernadero.
EL SISTEMA CLIMATICO Y SUS SUBSISTEMAS
B : Biosfera
C : Criosfera (nieve & hielo)
EVAPORACION
PRECIPITACION
A : Atmosfera
CONGELAMIENTO
Y FUSION DE
HIELO MARINO
FUSION DE
NIEVES
GLACIARES
HUMEDAD DEL SUELO
SALINIDAD
ESCORRENTIA
H : Hidrosfera (oceános)
L : Litosfera (tierras)
CLIMA desde el punto
de vista del ESS
Fenómenos
Astronómicos
El clima es consecuencia del vínculo que
existe entre
la atmosfera,
hidrosfera, las
Earth
Systemla Science
capas de hielos (criosfera), los organismos
vivientes (biosfera), los suelos, sedimentos y
rocas (litosfera) y el hombre (antroposfera).
Reflejada
107 Wm-2
Atmosfera
Litosfera
Tierra sólida
Hidrosfera
SOL
TIERRA
Criosfera
Radiación
342 Wm-2
Sólo si se considera al sistema climático bajo esta
visión holística, es posible entender los flujos de
materia y energía en la atmosfera y finalmente
comprender las causas del cambio global .
Biosfera
Antropos
fera
235 Wm-2
Pérdida de calor
URUGUAY
ESTADÍSTICAS CLIMATOLÓGICAS 1961-1990
Estadísticas mensuales, para el periodo 1961-1990 de temperaturas, lluvias, días con lluvia, presión,
humedad relativa, presión de vapor, velocidad de viento, etc., según 12 Estaciones Meteorológicas:
mm/mes
Las desviaciones típicas de las precipitaciones mensuales son similares a la media
de cada mes del año (“Si bien cada mes del año tiene una lluvia media de 100mm, cualquier
mes puede llover más de 300mm o que no se registren lluvias”, de otra forma, “Encontrar un
año similar al ciclo medio anual medio de precipitación tiene probabilidad cero”).
…existe una alta incertidumbre en la disponibilidad mensual de agua…
J.L. Genta, N. Failache
“El Uruguay es un pais seco donde llueve mucho”
(Ing. Carlos M. Maggiolo)
Uruguay: zona con fenómenos meteorológicos severos
OTD: Optical Transient Detector LIS: Lightning Imaging Sensor
Supercelda en Pato Branco
Paraná, 24 noviembre 2003
LLJ
ULJ
Supercelda en el Rio de la Plata, el dia
10 de marzo 2002, 13:30 hs
Fotos: Ignacio Landini
Zona donde los fenómenos severos
convectivos son más frecuentes
Nascimento & Doswell, 2004
Nube arcus
Punta del
Este
Diciembre
2001