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METEOROLOGÍA
GENERAL
Composición y estructura
de la atmósfera
Clase 2 – 1°cuatrimestre 2015Inés Camilloni
La Tierra: un lugar
adecuado para la vida
Clima moderado
Agua líquida
Sistema solar
T (Venus) = 460ºC
T (Marte) = -55ºC
T (Tierra) = 15ºC
¿Por qué Venus es
demasiado caluroso,
Marte demasiado frío y la
Tierra tiene la
temperatura adecuada
para la vida?
La temperatura de la superficie de un
planeta no está determinada sólo por
la cantidad de luz solar recibida
Venus está demasiado cerca?
Marte está demasiado lejos?
La Tierra está a la distancia justa?
La superficie de un planeta es
también calentada mediante el
efecto invernadero de su
atmósfera (cuando ésta existe).
Qué es la atmósfera?
Atmósfera: es
la capa gaseosa
que cubre la
Tierra y que se
mantiene
atrapada a ella
por la fuerza de
gravitacional.
Radio terrestre = 6400 km
En los primeros 30 km se
concentra el 99% de la
masa de la atmósfera
La atmósfera de un planeta
permite que penetre la luz solar
pero retarda la velocidad con
que el calor es perdido.
EFECTO INVERNADERO
Cómo funciona?
Composición de la atmósfera
Radiación solar
T(Tierra) – sin efecto invernadero = -18ºC
T(Tierra) – con efecto invernadero = 15ºC
+33°C
Composición de la
atmósfera
La atmósfera de la Tierra es una delgada
cobertura gaseosa compuesta
principalmente por nitrógeno (N2) y
oxígeno (O2) molecular, con pequeñas
cantidades de otros gases.
Los gases que componen la atmósfera obedecen
leyes simples en relación a cambios en la presión
y la temperatura:
La ley de Boyle establece que a temperatura constante,
el volumen V de una masa de gas varía inversamente con
la presión (p):
p = k1 / V k1 = constante
La ley de Charles establece que a presión constante el
volumen V de una masa de gas varía directamente con la
temperatura absoluta (T):
V = k2 T k2 = constante
Estas leyes indican entonces que la presión (p), la
temperatura absoluta (T) y el volumen (V) están
relacionados ya que el cambio en uno de ellos
provocara un cambio en uno o los dos parámetros
restantes.
Las dos leyes pueden ser combinadas en una única ecuación,
la ley de estado de los gases ideales:
p V = R m T
m = masa del gas
R = constanteen la atmósfera
m = masa de aire
R = Rd = 287 J/ kg K
“d”: dry (aire seco)
m y T constantes: ley de Boyle m y p constantes: ley de Charles
En la atmósfera es conveniente usar la densidad
= m / V en lugar del volumen:
p = R T
La presión atmosférica en un cierto punto corresponde a
la fuerza (peso) que la columna atmosférica sobre ese lugar
ejerce por unidad de área, debido a la atracción
gravitacional de la Tierra.
La unidad utilizada para la presión atmosférica se denomina
hectopascal (hPa) o milibar (mb) y corresponde a una
fuerza de 100 Newton/m2
Gases permanentes y variables
Gases permanentes Gases variables
Gas Símbolo Porcentaje Gas (y partículas) Símbolo Porcentaje ppm
Nitrógeno N2 78.08 Vapor de agua H2O 0 a 4
Oxígeno O2 20.95 Dióxido de carbono CO2 0.0036 396
Argón Ar 0.93 Metano CH4 0.00017 1.7
Neón Ne 0.0018 Oxido nitroso N2O 0.00003 0.3
Helio He 0.0005 Ozono O3 0.000004 0.04
Hidrógeno H2 0.00006 Partículas (polvo, etc.) 0.000001 0.01-
0.15
Xenón Xe 0.000009 Clorofluorocarbonos CFCs 0.00000002 0.0002
Es removido de la atmósfera
principalmente por procesos biológicos que
involucran a las bacterias presentes en los
suelos.
Nitrógeno
Retorna a la atmósfera principalmente a
través de la degradación de la materia
orgánica por la acción de microorganismos.
Es removido de la atmósfera con la
degradación de la materia orgánica y con
los procesos de oxidación en los que el
oxígeno se combina con otras sustancias.
El oxígeno también es consumido en la
respiración de los seres vivos, en la cual se
libera además dióxido de carbono.
Oxígeno
La adición de oxígeno a la atmósfera ocurre en
los procesos de fotosíntesis.
La concentración del vapor de agua,
varía enormemente de un lugar a otro.
Cerca de la superficie, en las regiones
tropicales, el vapor de agua puede
constituir hasta el 4% de los gases
atmosféricos, mientras que en
regiones polares representa bastante
menos del 1% .
Vapor de agua
Promedio de agua precipitable (kg/m2)
El vapor de agua no solo es un componente de
la atmósfera extremadamente importante por su
papel en los procesos de condensación del
agua, sino también porque constituye una
reserva de calor en la atmósfera.
Durante la condensación,
en la que el vapor de agua
se transforma en agua
líquida, se liberan
grandes cantidades de
energía (calor latente) que
constituyen el “motor” de
fenómenos meteorológicosnubes sobre Brasil tomadas por el
transbordador espacial
ES un componente natural de la
atmósfera, ocupa un pequeño (pero
importante) porcentaje del volumen de
aire, de alrededor del 0,036%.
Dióxido de carbono (CO2)
Entra principalmente a la atmósfera por la
degradación de la materia vegetal, pero también
lo hace por las erupciones volcánicas, la
respiración de los seres vivos y por actividades
humanas como el uso de combustibles y la
deforestación.
Es removido de la atmósfera por los
procesos de fotosíntesis.
Los océanos actúan como reservorios enormes
de CO2, debido a que el fitoplancton lo fija en
sus células. El dióxido de carbono, que se
disuelve directamente en el agua superficial se
mezcla hacia abajo y circula hasta las grandes
profundidades. Se estima que los océanos
almacenan más de 50 veces el contenido de
dióxido de carbono presente en la atmósfera.
Ciclo del carbono
En condiciones naturales, el ciclo de carbono es equilibrado.
La actividad humana (industrialización, deforestación y combustión de
combustibles fósiles) modifica estos intercambios produciendo un exceso de
CO2 en la atmósfera. Solo un 50% de este exceso es absorbido por los la
biomasa y el océano. Esto contribuye al calentamiento del planeta ya
que el dióxido de carbono es un gas que produce efecto invernadero.
El ciclo de carbono
describe los
intercambios de
dióxido de carbono
entre los cuatros
reservorios naturales
del planeta
(atmósfera, biosfera,
litosfera e hidrosfera).
El dióxido de carbono registra un tiempo de
residencia atmosférica de 100 a 150 años.c
on
ce
ntr
ac
ión
de
CO
2 (
pp
m)
260
280
300
320
340
360
380
1000 1200 1400 1600 1800 2000
M a u n a L o a
L a w Do m e
Si p l e
So u th Po l e
Ad e l i e
Mauna Loa
La atmósfera contiene también otros gases
en menor proporción que los citados
previamente que afectan al clima.
Los más importantes son el ozono (O3),
el metano (CH4) y óxidos de nitrógeno (NOx)
El ozono (O3) es un compuesto químico
formado por tres átomos de oxígeno (O).
Es una sustancia que cumple dos papeles
totalmente distintos según se encuentre en la
estratósfera o en la tropósfera.
El que está en la estratósfera (de 10 a 50 km) es
imprescindible para que la vida se mantenga en
la superficie del planeta porque absorbe las
radiaciones ultravioletas perjudiciales que llegan
del sol.
Ozono (O3)
El ozono que se encuentra en la
tropósfera, junto a la superficie de la
Tierra, es un importante contaminante.
Se forma por reacciones inducidas por la
luz solar en las que participan,
principalmente, los óxidos de nitrógeno y
los hidrocarburos presentes en el aire. Es
el componente más dañino del smog
fotoquímico y causa daños importantes a la
salud, cuando está en concentraciones
altas, y frena el crecimiento de las plantas
y los árboles.
El metano se produce en forma natural
por la descomposición de sustancias
orgánicas en ambientes pobres en
oxígeno. También se produce en el
sistema digestivo de rumiantes y otros
animales, en la explotación de
combustibles fósiles y en la quema de
biomasa.
Metano (CH4)
• Aproximadamente la mitad de la producción
de metano proviene de los sembradíos de
arroz y de la actividad animal.
• Una cuarta parte proviene de tierras
pantanosas y húmedas.
• Un 15% de la producción industrial de gas
natural y carbón mineral.
• Los rellenos de basura y otras sustancias
orgánicas en descomposición contribuyen con
un 5% de las emisiones de metano.
co
nc
en
tra
ció
n d
e C
H 4 (
pp
b)
500
600
700
800
900
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1000 1200 1400 1600 1800 2000
In fe ri d o
S i p l e
E u ro c o re
Gri p
La concentración de metano en la atmósfera se
ha duplicado en los últimos 200 años. Su tiempo
de residencia en la atmósfera es de 7 a 10 años.
El óxido nítrico (NO) y el dióxido de
nitrógeno (NO2) se suelen considerar en
conjunto con la denominación de
óxidos de nitrógeno (NOx).
El emitido en más cantidad es el NO, pero
sufre una rápida oxidación a NO2, siendo
este el que predomina en la atmósfera.
NOx tiene una vida corta y se oxida
rápidamente.
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Los NOx tienen una gran trascendencia
en la formación del smog fotoquímico, e
influye en las reacciones de formación y
destrucción del ozono, tanto troposférico
como estratosférico, así como en el
fenómeno de la lluvia ácida.
En concentraciones altas produce daños
a la salud y a las plantas y corroe tejidos
y materiales diversos.
Las actividades humanas que los producen son,
principalmente, las combustiones realizadas a
altas temperaturas.
co
nc
en
tra
ció
n d
e
N 2O (
pp
b)
250
260
270
280
290
300
310
320
1000 1200 1400 1600 1800 2000
M a c h i d a e t a l .
F l u c k i n g e r e t a l
Gases de efecto invernadero (GEI)
GEI Fórmula química
Fuentes Permanencia en la atmósfera
Concentración preindustrial
Concentración presente
Vapor de agua H20 Natural
Antropogénica
días 0-4% Aumentó 5% en el siglo XX
Dióxido de carbono
CO2 Natural
Antropogénica
50-200 años 280 ppm 390 ppm
Metano CH4 Natural
Antropogénica
10-12 años 700 ppb 1750 ppb
Óxido nitroso N20 Natural
Antropogénica
114 años 285 ppb 312 ppb
Ozono troposférico
O3 Natural
Antropogénica
semanas 25 ppb 26 ppb
Perfluoro
carbono
PFCs Antropogénica 5700 años 0 79 ppt
Hidrofluoro
carbono
HFCs Antropogénica 12 años 0 12 ppt
Hexafluoruro
de azufre
SF6 Antropogénica 3200 años 0 4.7 ppt
Aerosoles
atmosféricos
Los aerosoles atmosféricos se
definen como dispersiones de
sustancias sólidas o líquidas
en el aire.
Denominación Composición
Núcleos de Aitken Partículas con menos de 1 mm de diámetro.
Partículas medias
(en suspensión)Partículas con un diámetro comprendido
entre 1 y 10 mm.
Partículas
sedimentablesPartículas con diámetro superior a 10 mm.
Polvos Partículas sólidas de origen mineral o
materia sólida dispersada por el aire.
Humos industriales Partículas sólidas o líquidas debidas a la
volatización de metales, seguida o no de
su oxidación por el aire o condensación
de vapores.
Humos de
combustiónHumos debidos a proceso de combustión,
constituidos por partículas de carbono y
de hidrocarburos no quemados y cenizas
volantes
A qué llamaremos
“aire”?
La atmósfera está compuesta por:
aire seco
vapor de agua
aerosoles
AIRE = AIRE SECO + VAPOR DE AGUA + AERSOLES
AIRE HÚMEDO = AIRE SECO + VAPOR DE AGUA
Cómo intervienen los
componentes de la atmósfera en
el tiempo meteorológico
N2 + O2
99% del aire sin embargo no intervienen en los
fenómenos meteorológicos
CO2 + vapor de agua + O3 + aerosoles Aunque tienen bajas concentraciones son
importantes en:
- ciclos de energía en la atmósfera
- como núcleos de condensación
Vapor de agua Sus cambios de fase son importantes en la
transferencia de energía en la atmósfera
Contribuye a reflejar la radiación solar en las
nubes y a absorber la radiación terrestre.
CO2 + CH4
Son eficientes absorbiendo la radiación terrestre.
Aerosol atmosféricoAbsorben y reflejan radiación solar
Actúan como núcleos de condensación en el
proceso de formación de nubes y precipitación.
Estructura vertical de
la atmósfera
Criterios:
Variación de la temperatura
Composición
Estructura de la atmósfera según la
variación vertical de la temperatura
Radiosonda
TROPÓSFERA
Es la capa más baja en la que se desarrolla la vida y la
mayoría de los fenómenos meteorológicos.
Se extiende en promedio hasta 12 km de altura (con un
mínimo de 8 km en los polos y 18 km en el Ecuador).
Concentra el 80% de la masa de la atmósfera.
La temperatura disminuye con la altura hasta -55°C a
razón de 0.65°C/100m.El límite superior de la
tropósfera se denomina tropopausa.
Definición
Gradiente de la propiedad A =
variación de A con la distancia
= T/ z = - 0.65°C/100m
Variación de la altura
de la tropopausa
según la latitud
ESTRATÓSFERA
Se extiende hasta los 45 km de altura.
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 (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.
En la estratósfera se concentra la máxima
concentración de ozono (“capa de ozono”), gas
que al absorber parte de la radiación
ultravioleta del Sol posibilita las condiciones
adecuadas para la vida en la superficie
terrestre.
MESÓSFERA
la temperatura disminuye con la altura
y 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 TERMÓSFERA.
La IONÓSFERA es una parte especial de la
atmósfera que forma parte de la termósfera.
Representa menos del 0.1% de la masa atmosférica.
A medida que se asciende en la ionosfera, la
temperatura aumenta.
Está compuesta por iones y electrones libres.
Los iones son átomos y moléculas que perdieron
o ganaron uno o más electrones.
La comunicación a larga distancia por radio es
posible ya que las diferentes regiones de la ionósfera
reflejan las ondas radiales de regreso a la Tierra.
Aquí es donde suceden las auroras.
La IONÓSFERA se
divide en las
regiones D, E y F.
Las regiones D y E
reflejan las ondas
de radio AM de
regreso a la Tierra.
Las ondas de radio
con menor alcance
se reflejan en las
región F.
Estructura de la atmósfera según
su composición
Se extiende hasta 80 km de altura aproximadamente. La concentración de la mayoría de los constituyentes del airepermanece casi constante debido a fenómenos de mezclaconvectiva y turbulenta. Las excepciones son el ozono y el vapor de agua.
Se ubica por encima de los 80 km. La composición del aireya no es constante debido a fenómenos de difusiónmolecular. Hay mayor concentración de los componentesmás ligeros y de forma estratificada: N2, O, He, H.
HOMÓSFERA
HETERÓSFERA
Variación de la
presión con la altura
La presión atmosférica promedio
a nivel del mar es ligeramente
superior a 1000 hPa, lo que
corresponde a una fuerza
cercana a 10 toneladas por
metro cuadrado (1 Kg /cm2).
Como la atmósfera es
compresible, el efecto de la
fuerza gravitacional hace que su
densidad disminuya con la altura,
lo cual a su vez explica que la
disminución de la presión con la
altura no sea lineal.
Altitud (km) % de presión a nivel del mar
0 100
5.6 50
16.2 10
31.2 1
48.1 0.1
65.1 0.01
79.2 0.001
100 0.00003
