Tema 6Tema 6La atmsferaLa atmsfera

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I t d iIntroduccinCaractersticas fsicas de la atmsferaTransferencia de energaTransferencia de energa

ATMOSFERA:Capa protectora que nutre la vida en laCapa protectora que nutre la vida en latierra y la protege del ambiente hostildel espacio exterior

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del espacio exterior

Estructura de la atmsferaEstructura de la atmsfera

L t f dLa atmsfera se compone de varios estratos esfricos concntricos, separados unos de otros por estrechas zonas de transicintransicin.El lmite superior se podra fijar a una altitud de, aproximadamente, mil kilmetros por encima del nivelkilmetros por encima del nivel del mar, donde los gases ya se dispersan en el espacio. Pero ms del 99% de la masa de la atmsfera se concentra en los primeros 40 km. desde la superficie terrestre.Estos niveles atmosfricos se diferencian por su composicin

i l l dqumica, la cual produce diversas variaciones en la temperatura

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TroposferaTroposferaTroposferaTroposferaTroposfera significa regin de mezclas,y recibe este nombre debido a las yvigorosas corrientes de aire que ocurren dentro de ella. Se extiende hasta unos 10 km. sobre la superficie terrestre pudindosesuperficie terrestre, pudindose precisar ms dependiendo de la posicin donde nos encontremos; unos 8 km. desde zonas de altas latitudes hasta los 18 km cuando noshasta los 18 km. cuando nos encontramos en el ecuador. Esta altura tambin vara en funcin de la estacin del ao, ms alta en verano

h t h i iy mucho ms estrecha en invierno.Es la capa ms prxima a la tierra, y contiene el mayor porcentaje de la masa total.masa total. Se caracteriza por la densidad de su aire y un cambio en la media de la temperatura vertical de 6 C por kilmetro

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kilmetro.

EstratosferaEstratosferaEstratosferaEstratosferaEste nivel se encuentra comprendido entre 10 y 50 km. sobre la superficie t tterrestre.La temperatura del aire permanece relativamente constante con respecto a la altitud hasta llegar a los 25 km. gLlegado a este punto se incrementa gradualmente hasta los 200-220 K ( 473-493 C ), que es cuando se alcanza el lmite superior (unos 50 km ) Aqu eslmite superior (unos 50 km.). Aqu es donde comienza la estratopausa, la cual se delimita mediante un decrecimiento de la temperatura, y que separa a esta capa de la siguientecapa de la siguiente. Debido a que en la estratosfera la temperatura del aire se incrementa con la altitud, no ocasiona ningn tipo de

d i i fconduccin y tiene, por tanto, un efecto estabilizador de las condiciones atmosfricas en esta regin.

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M fMesosferaEsta capa se extiende desde, paproximadamente, 50 km. hasta los 80 km., y est caracterizada por una disminucin de las temperaturas, alcanzado los 190-180 K a una altitud de 80 km80 km. En esta regin las concentraciones de ozono y vapor de agua son, prcticamente, despreciables. Sin embargo la temperatura es inferior enembargo, la temperatura es inferior en este nivel en comparacin con los dos anteriores. Esto se debe a que, a medida que nos separamos de la tierra, la composicin qumica del aire tiene unala composicin qumica del aire tiene una fuerte dependencia con la altitud y la atmsfera empieza a enriquecerse con gases ms ligeros. A altitudes muy altas los gases residuales a t tudes uy a tas os gases es dua escomienzan a estratificarse de acuerdo a su masa molecular, debido a una separacin por efecto de la gravedad.

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T fT fTermosferaTermosferaSe localiza en el rango de 100 a 200 km.200 km. La temperatura en este nivel se incrementa con la altitud hasta llegar a los 1000-1500 K. gEste incremento se debe a que la absorcin de las intensas radiaciones solares se encuentra li it d limitada por unas pequeas cantidades de oxgeno, siendo los principales componentes atmosfricos el nitrgeno y elatmosfricos el nitrgeno y el oxgeno. A estas altitudes extremas lasmolculas de gas se encuentran gampliamente separadas

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ExosferaExosferaComo su nombre indica, es la regin atmosfrica ms distante de la superficie terrestre. Su lmite superior se localiza pa altitudes que alcanzan los 960 e incluso 1000 km., y est relativamente indefinida.Es la zona de trnsito entre la atmsfera terrestre y el yespacio interplanetario

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L t fL t fLa atmsferaLa atmsfera

Aire puro: se define como aqul que no tiene partculas slidas ni lquidas. Aire seco: es aqul que no tiene vapor de aguaAire seco: es aqul que no tiene vapor de aguaTanto las partculas slidas como el vapor de agua se encuentran en forma natural en la atmsfera. El vapor de agua procede de la evaporacin de las aguas superficiales y de la transpiracin de las plantas.plantas. Su concentracin vara desde un 5% en volumen de aire (cerca del suelo en las regiones ecuatoriales), hasta desaparecer por encima de los 10 o 12 kmhasta desaparecer por encima de los 10 o 12 km.

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Composicin de la atmsferaComposicin de la atmsferaComposicin de la atmsferaComposicin de la atmsferaComponente Concentracinen masa Caractersticas

Ni (N ) %Es el componente ms abundante en el aire

f i F i l i l d lNitrgeno(N2) 75,515% atmosfrico. Forma un ciclo circulando entre latierra, el aire y el agua.

Oxgeno(O2) 23,14% Es necesario para la respiracin.

Argn(Ar) 1 28% Gas noble, simple e incoloro. Se utiliza en el interiorArgn(Ar) 1,28% , pde las bombillas.

Vapor de agua 0-2,5% Forma la humedad de la atmsfera

Dixido de carbono(CO2) 553 ppmLo precisan las plantas para realizar la fotosntesis.Ayuda a mantener la Tierra calienteAyuda a mantener la Tierra caliente.

Nen(Ne) 13 ppm Gas noble, utilizado para la iluminacin en tubosfluorescentes.

Criptn(Kr) 2,9 ppm Gas noble, incoloro, inodoro y monoatmico.

Helio(He) 0,7 ppm Gas noble, muy simple, ligero e inflamable, utilizadopara hinchar globos y dirigibles.

Hidrgeno(H ) 0 03 ppmGas muy simple, incoloro, inodoro y el ms ligero delos cuerpos. Es el elemento ms abundante delHidrgeno(H2) 0,03 ppm

puniverso. Ha sido utilizado para hinchar aerostatosy en la actualidad para la sntesis del amoniaco.

Ozono(O3) 0-20 ppmVariedad del oxgeno, gas de fuerte olor y azul engrandes espacios. Filtra las radiaciones peligrosas

l l

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del sol.

Partculas - Partculas de polvo, esporas, polen y contaminacin.

Medida de concentracinMedida de concentracinMedida de concentracinMedida de concentracin

Unidades ms correcto: Significado

ppm (partes por milln) mol / mol = 10-6 (micromol / mol) 1 en 1,000,000

ppmv g / mlppmv g / ml

ppb (partes por billn) Americano nmol / mol = 10-9 (nanomol / mol) 1 en 1,000,000,000

A i pmol / mol = 10-12 1 en 1 000 000 000 000

Tres errores comunesCuando se dicen que la cantidad de CO2 es de por ejemplo 350 ppm no es una

ppt (partes por trilln) Americano pmol / mol 10(picomol / mol)1 en 1,000,000,000,000

Cuando se dicen que la cantidad de CO2 es de por ejemplo 350 ppm no es una concentracin en sentido estricto sino una relacin de mezcla (n de molculas de CO2/ por un nmero de molculas de aire)La relacin de mezcla no tiene unidades. Es ms correcto mol / mol El trmino billn y trilln se define de forma diferente segn los paises:

billn americano = millardo europeo (rara vez usado) = 1,000,000,000trilln americano = billn europeo (rara vez usado) = 1,000,000,000,000

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FuncionesFuncionesFuncin protectora

Absorcin

Funcin nutriente transportadoraAbsorcin

Radiacin electromagntica

transportadora

gUV cercano, visible, IR

lejano(300-2500 nm)

H2O: Transporte entre ocanos y la tierra(300 500 )Radiofrecuencias

(0.01-40 m)Rayos csmicos

ocanos y la tierra.N2 : Bacterias. PlantasCO2 Fotosntesis de las Rayos csmicos

Reflexin

CO2: Fotosntesis de las plantasO2: fotosntesis

Radiaciones IR:estabilizacin de la temperatura

O2: fotosntesis

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estabilizacin de la temperaturade la tierra

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Radiacin electromagntica y longitud de ondaRadiacin electromagntica y longitud de ondaRadiacin electromagntica y longitud de ondaRadiacin electromagntica y longitud de onda

Unidad Smbolo longitud(m)Tipo de

RadiacinAngstrom 10-10 Rayos X

N 10 9 UV i iblNanmetro nm 10-9 UV, visible

Micrmetro m 10-6 InfrarrojoMicrmetro m 10 Infrarrojo

Milmetro mm 10-3 Infrarrojo

Centmetro cm 10-2 Microondas

M 1 TV diF. G.Calvo-Flores 16

Metro m 1 TV, radio

Radiacin solar y espectroRadiacin solar y espectroRadiacin solar y espectro Radiacin solar y espectro electromagnticoelectromagnticoLos rayos del sol son

emitidos en diferenteslongitudes de ondas elongitudes de ondas eimpactan la Tierra condistintos ngulos dei id iincidenciaGran parte de esaradiacin es absorbidaradiacin es absorbidapor la atmsferaeliminando las

di i i iradiaciones perniciosaspara el desarrollo de lavida

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da

ngulos de incidencia / impactos en la intensidad de radiacin UVngulos de incidencia / impactos en la intensidad de radiacin UV--BB

La radiacin solar se distribuye en forma heterognea en el planeta.De acuerdo a la latitud en que se encuentran las zonas geogrficas, los ngulos de incidencia de los rayos solaresincidencia de los rayos solares son diferenciados.Latitudes altas - ngulo de 30Latitudes altas ngulo de 30 Latitudes medias - ngulo de 45

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Ecuador - ngulo de 90

Formas de energa en los procesos naturalesFormas de energa en los procesos naturalesFormas de energa en los procesos naturalesFormas de energa en los procesos naturalesLas formas de energa importantes presentes en los procesos naturales son:procesos naturales son: Energa trmica

accin del sol sobre la tierra, efecto de la radiactividad, lava.Se transmite por conduccin, conveccin y radiacin

Energa cintica impacto de meteoritos movimiento de agua y viento corrientesimpacto de meteoritos, movimiento de agua y viento, corrientes ocenicas)

Energia potencial (gravitacional)la lluvia al caer transforma energa potencial en cinticala lluvia al caer transforma energa potencial en cintica, corrientes de agua

Energa qumica( ti id l t l l l d(mantiene unido a los tomos en las molculas, energa de enlace)

Energa nuclear

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(procesos radioactivos)

Energa cintica y potencialEnerga cintica y potencialEnerga cintica y potencialEnerga cintica y potencial

La energa cintica est asociada al movimiento deasociada al movimiento de objetos, tales como la cada de gotas de aguagotas de agua

los movimientos moleculares de vibracin o rotacin, p. Ej. en las jmolculas de agua en A mayor grado de vibracin o rotacin mayor es larotacin, mayor es la temperatura de una sustancia

La E pontencial a laF. G.Calvo-Flores 20

La E. pontencial a la capacidad de producir trabajo

Transferencia de energa atmsferaTransferencia de energa atmsfera--tierratierragg

Existe un intercambio de energa constante entre la atmsfera y la superficie de la tierraProcesos de difusin y absorcin de energa.Transferencias de calor por

C d iConduccinConveccin Radiacinad ac

El conjunto de transferencias de calor entre la atmsfera y la superficie terrestre provoca un gradiente de temperatura tpico en la troposfera

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ConduccinConduccin

Es la transferencia de calor a travs de una sustanciaa travs de una sustancia sin movimiento de las molculas transfirindose

d d l bj t energa desde el objeto ms caliente al ms froEst basado en el contactoEst basado en el contacto directo de sus partculas, que tienden a igualar su t t t d dtemperatura o estado de excitacin trmica

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ConveccinConveccinConveccinConveccinTransferencia de calor por el movimiento de un fluido

Est acompaado por el desplazamiento de las molculas deldesplazamiento de las molculas del fluidoSe puede asociar a lo que ocurre en un recipiente con agua hirviendo en donde el agua del fundo se calienta y se desplaza a la superficie generandose desplaza a la superficie generando burbujas

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RadiacinRadiacinEs el nico mecanismo deEs el nico mecanismo de transferencia que no requiere un medio para el transporte demedio para el transporte de energa Esta forma de transferencia deEsta forma de transferencia de energa es el ms importante en lo que a la atmsfera y lalo que a la atmsfera y la meteorologa se refiere ya que la mayor parte de la energa quemayor parte de la energa que recibimos proviene de la radiacin del sol

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radiacin del sol

deposicinAbsorbe energa

Cede energa

condensacin

Absorbe energa

congelacin

evaporacinfusin

sublimacin

Incremento de energaIncremento de energa

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Transferencia de energa en la atmsferaTransferencia de energa en la atmsferaTransferencia de energa en la atmsferaTransferencia de energa en la atmsfera

50% ALCANZA la superficie terrestre

F. G.Calvo-Flores 26FLUJO SOLAR: 1.34 x 103 watts/m2

Balance de energaBalance de energa

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Balance energticoBalance energticoBalance energticoBalance energticoLa mayor parte de la energa que llega a la superficie nuestro l t d d l S lplaneta procede del Sol.

La energa que nos llega de nuestra estrella es una radiacin electromagntica que se comporta, a la vez, como una onda, con su frecuencia, y como una partcula, llamada fotnLa energa que llega al exterior de la atmsfera es una cantidad fija, llamada constante solar. Su valor es de 1,4 103 W/m2, lo que significa que a 1 m2 situado en la parte externa de la atmsfera, perpendicular a la lnea que une la Tierra al Sol, le llegan 1,4 . 103 J cada segundo. , g , gEs una mezcla de radiaciones de longitudes de onda (l ) entre 200 y 4000 nm. Se distingue entre radiacin ultravioleta luz visible y radiacinSe distingue entre radiacin ultravioleta, luz visible y radiacin infrarroja

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Balance energtico: energia que llega a la superficieBalance energtico: energia que llega a la superficie

Energa absorbida por la atmsfera En unas condiciones ptimas con un daEn unas condiciones ptimas con un da perfectamente claro y con los rayos del sol cayendo casi perpendiculares, como mucho las tres cuartas partes de la energa que llega del exterior alcanza la superficie. Casi toda la radiacin ultravioleta y gran parte de la infrarroja son absorbidas por la atmsfera. L ll l i l d l lLa energa que llega al nivel del mar suele ser radiacin infrarroja un 49%, luz visible un 42% y radiacin ultravioleta un 9%

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radiacin ultravioleta un 9%.

Balance energticoBalance energticoBalance energticoBalance energticoEn un da nublado se absorbe un porcentajeEn un da nublado se absorbe un porcentaje mucho ms alto de energa, especialmente en la zona del infrarrojo. Energa absorbida por la vegetacin

La vegetacin absorbe en todo el espectro, pero especialmente en la zona del visible aprovechandoespecialmente en la zona del visible, aprovechando esa energa para la fotosntesis

La temperatura media en la Tierra se mantiene pprcticamente constante en unos 15C, pero la que se calcula que tendra si no existiera la atmsfera sera de unos 18C Esta diferenciaatmsfera sera de unos -18C. Esta diferencia de 33C tan beneficiosa para la vida en el planeta se debe al efecto invernadero.

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p

Balance de energa: Efecto invernaderoBalance de energa: Efecto invernadero

Concepto:Ab i R di i d l 50%Absorcin y Reradiacin del 50%, aproximadamente de la radiacion IR reflejada o reemitida por la superficie terrestre por parte delreemitida por la superficie terrestre por parte del vapor de H2O y del CO2

H2O: 7-8.5 nm y 11-14 mm2 yCO2: 12-16.3 mm

Consecuencia: Temperatura media de la superficie: 15 C. En caso contrario la sera de -18C

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B l ti d l t fB l ti d l t fBalance energtico de la atmsferaBalance energtico de la atmsferaP d didProcesos de ganancia

(w/m2)Procesos de prdida (w/m2)

E i i IR i TiAbsorcin aire 75,5Absorcin nubes 13,7

Emisin IR aire-Tierra 113,2Emisin IR nubes-Tierra -

Radiacin IR Tierra 394,4Calor latente Tierra 78,9

Emisin IR nubes Tierra 229,8Emisin IR aire -116,6

Calor sensible Tierra 20,6

Emisin IR nubes-espacio -123,5

Total recibido 583,1

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,Total emitido -583.1

El agua en la atmsferaEl agua en la atmsfera

En forma de vapor absorbe longitudes de onda larga (efecto invernadero)En forma lquida o slida refleja o absorbeEn forma lquida o slida refleja o absorbe radiacin solarL bi d t d i fl lLos cambios de estado influyen en los intercambios de energa que tienen lugar en la atmsfera

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Qumica de las nubesQumica de las nubesU b l i t d t d (Una nube no es una mezcla inerte de gotas de agua (o cristales de hielo) y partculas. Las partculas que inducen la formacin de nubes, p q ,llamados ncleos de condensacin de nubes (en ingls CCN (Cloud Condensation Nuclei), tienen composiciones qumicas muy variadas dependiendo decomposiciones qumicas muy variadas dependiendo de su origen (antrpico o natural: desiertos, volcanes, ocanos, organismos vivos..). Adems las nubes estn rodeadas por gasesAdems las nubes estn rodeadas por gases atmosfricos que pueden modificar la composicin qumica de las gotas de agua.P l b d d i l bPor eso las nubes no podemos decir que las nubes son elementos estticos

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El agua en la atmsfera :procesos qumicosEl agua en la atmsfera :procesos qumicosg p qg p q

Variacin de la composicin y el tamao de los ncleos detamao de los ncleos de condensacin despus de la evaporacin de la gota de aguaDisolucin del contenido soluble de laDisolucin del contenido soluble de la partcula Reacciones en medio Transferencias entre los gases atmosfricos y la fase lquida

El nmero de reacciones qumicas que suceden dentro de una gota de agua no es muy inferior a cien. yLos ms importantes: lluvia cida

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