Introducción al sistema climático

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1 Introducción al sistema climático Clima es la síntesis del estado del tiempo en una región particular. Puede definirse cuantitativamente mediante los valores esperados de los elementos meteorológicos (elementos climáticos) en una localidad durante un mes o una estación. Elementos climáticos: promedios de temperatura, precipitación, viento, presión, nubosidad y humedad (generalmente se consideran los valores sobre la superficie de la Tierra).

2 Importancia del clima Si el clima no fuera parecido a como es, la vida y la civilización no se hubieran desarrollado como lo hicieron. La distribución de la vegetación y el tipo de suelo sobre las zonas terrestres está determinada principalmente por el clima local. Fluctuaciones o tendencias en el clima pueden causar serios problemas para la humanidad. Dado que la población ha crecido para absorber la máxima productividad agrícola en muchas partes del mundo, el número absoluto de vidas humanas en riesgo de morir de hambre durante las anomalías climáticas nunca ha sido mayor. Además de las fluctuaciones naturales de un año a otro en el clima, nos deben preocupar los efectos de las actividades humanas en la producción de tendencias de largo plazo en el clima. Las acciones de la humanidad que pueden influir sobre el clima global incluyen alterar la naturaleza de la superficie terrestre y la composición de la atmósfera.

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4 El clima de una región depende de la latitud, altura y orientación con relación a los cuerpos de agua, las montañas y la dirección de los vientos dominantes. El clima terrestre está definido en términos de los elementos climáticos que podemos medir (p.e., temp y precipitación). El sistema climático de la Tierra determina la distribución de energía y agua cerca de la superficie y consiste principalmente de la atmósfera, los océanos y las superficies terrestres.

5 Temperatura atmosférica La temperatura es la variable climática más ampliamente reconocida. Promedio global en la superficie: 288 K, 15 C. Temperatura extrema más baja registrada: -89 C en Vostok, Antártica (3,450 msnm). Temperatura extrema más alta registrada: 58 C en Al Aziziyah, Libia. La temperatura de la atmósfera disminuye con la altura en los primeros 1015 km sobre la superficie (lapse rate o gradiente vertical): La capa de la atmósfera en la cual la T disminuye con la altura se conoce como troposfera. troposfera El gradiente vertical promedio de la troposfera global es de aproximadamente 6.5 K/km, pero éste varía con la altitud, la época del año y la latitud.

6 La mayor parte de la masa de la atmósfera, entre 75 y 80%, está en la troposfera. La gran mayoría de los sistemas meteorológicos que nos afectan ocurre en esta capa. En la estratosfera (capa que se encuentra por encima de la troposfera) la T se incrementa con la altura, hasta unos 50 km, debido al calor producido en el proceso de formación de ozono. Sólo las longitudes de onda más energéticas de la radiación son absorbidas por los gases en la atmósfera y la mayoría son absorbidas en el tope de la estratosfera. La cantidad de energía que puede ser absorbida en la parte baja de la estratosfera o en la troposfera va disminuyendo conforme la radiación penetra en la atmósfera.

7 La tropopausa es el nivel más bajo en el cual el gradiente vertical disminuye a 2 C/km o menos, siempre que el gradiente vertical promedio entre ese nivel y todos los niveles superiores en un radio de 2 km no exceda de 2 C/km. En el tope de la estratosfera se encuentra la estratopausa (~50 km), donde la T comienza a disminuir nuevamente con la altura. La capa en donde la T disminuye nuevamente con la altura es conocida como mesosfera (se extiende hasta ~85 km). Esta capa es mucho menos densa que la estratosfera y contiene menos moléculas que absorban la radiación electromagnética proveniente del sol. El tope de la mesosfera, la mesopausa, mesopausa es la parte más fría de la atmósfera (~ -100 C). La capa por encima de la mesosfera es la termosfera, termosfera en donde la T aumenta rápidamente con la altura debido al calentamiento producido por la absorción de rayos-x y radiación UV, lo cual disocia las moléculas de oxígeno y nitrógeno y ioniza los gases atmosféricos. En la termosfera alta la T puede alcanzar entre 500 C y 2,000 C.

8 Perfil de temperatura de la atmósfera estándar

9 El gradiente térmico y la temperatura en la tropósfera están determinados principalmente por un balance entre el enfriamiento radiativo y la convección de calor desde la superficie. La distribución vertical de la T varía con la latitud y la estación del año y en consecuencia la altura de la tropopausa (o profundidad de la troposfera) varía considerablemente.

10 Temperatura superficial como función de la latitud Temperaturas más altas cerca del ecuador. Mayor amplitud del ciclo estacional cerca de los polos. El ciclo estacional de T es mucho menor en el HS que en el HN. El mayor contraste se observa en la franja de El océano almacena calor de manera muy eficiente. Las zonas terrestres se calientan y enfrían mucho más rápido que los océanos.

11 ENERO 0 10 C JULIO 0 10 C

12 Amplitud del ciclo anual de temperatura superficial

13 Composición de la atmósfera La interacción de los gases atmosféricos con la energía radiante modula el flujo de energía a través del sistema climático. Los gases atmosféricos que son importantes para la absorción y emisión de la energía radiante comprenden menos del 1% de la masa de la atmósfera. ~99%

14 Balance hidrostático Fuerzas verticales que actúan sobre la atmósfera en reposo: gravedad y presión. Estas fuerzas están en equilibrio con una muy buena aproximación, e igualando la fuerza del gradiente de presión y la fuerza de gravedad se obtiene el balance hidrostático. hidrostático Se puede expresar el balance vertical de fuerzas por unidad de masa mediante: Δp = -ρg Δz Para un gas ideal: donde R = constante específica del gas R* = constante universal M = peso molar De ambas ecuaciones se llega a: donde H = RT/g o H = kt/mg, es la escala de altura (representa la dimensión vertical característica de la distribución de masa o la altura que hay que elevarse para que la presión disminuya por un factor de e = ).

15 Si consideramos una atmósfera isoterma, la temperatura y H son constantes y la ecuación hidrostática puede integrarse desde la superficie, donde p = ps = x 105 Pa, hasta una altura arbitraria, z, obteniéndose una expresión para la distribución de la presión con la altura: La presión en cualquier nivel es igual al peso de la columna atmosférica de área transversal unitaria que está por encima de ese nivel.

16 La masa entre dos alturas está relacionada con el cambio de presión entre esos dos niveles y se puede expresar como: Considerando el balance hidrostático, la masa total de la atmósfera puede relacionarse con la presión superficial media global:

17 Humedad atmosférica Es la cantidad de vapor de agua en el aire. El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más importante en la atmósfera. Se condensa para formar nubes, las cuales pueden producir precipitación, reflejan la radiación solar y reducen la radiación infrarroja emitida por la Tierra. La rápida disminución del vapor de agua hacia arriba y hacia los polos está asociada con la fuerte dependencia entre la presión de saturación y la temperatura. El aire más cálido puede contener una fracción mucho mayor de vapor de agua.

18 Los océanos La atmósfera contiene una fracción muy pequeña del agua total del sistema climático. La mayoría del agua en la superficie de la Tierra está contenida en los océanos y en las capas de hielo: 1.35 x 10 9 km3 de los cuales ~97% es agua de mar. Los océanos son un elemento clave del sistema climático físico. Cubren ~71% de la superficie de la Tierra a una profundidad promedio de 3,729 m. Tienen una altísima capacidad para almacenar y liberar calor en escalas de tiempo de estacionales hasta de siglos. Alrededor de la mitad de la energía transportada entre el ecuador y los polos, la cual sirve para calentar los polos y enfriar los trópicos, es proporcionada por los océanos. Los océanos son el reservorio de agua que suministra el vapor de agua atmosférico. El océano juega un papel principal en la determinación de la composición atmosférica mediante el intercambio de gases y partículas a través de la interfaz aire-mar.

19 Los océanos remueven dióxido de carbono de la atmósfera y produce oxígeno molecular. Participan también en otros ciclos geoquímicos que regulan el ambiente sobre la superficie de la Tierra. La temperatura en el océano generalmente disminuye con la profundidad, desde una temperatura muy cercana a la del aire en superficie a un valor cercano al punto de congelación del agua en las profundidades del océano. Una capa superficial delgada es mezclada por los vientos y las olas de forma tan eficiente que su temperatura y salinidad son casi independientes de la profundidad.

20 La termoclina El mayor cambio en la temperatura de la columna de agua en el océano ocurre en la termoclina, termoclina que es una capa que separa la capa superior mezclada del agua profunda. Las características de profundidad y espesor de la termoclina dependen de las variaciones estacionales de las condiciones meteorológicas, de la latitud y de la mezcla turbulenta por viento, corrientes y mareas.

21 Salinidad en el agua de mar Se define como el número de gramos de sales disueltas en un kilogramo de agua de mar. En mar abierto varía entre 33 y 38 g kg -1. Es un factor importante en las variaciones de densidad del agua de mar en todas las latitudes y el más importante en latitudes altas, donde la temperatura es cercana al punto de congelación del agua. Las variaciones en la densidad del agua de mar generan la circulación del océano profundo, crucial para el transporte de calor y la recirculación de nutrientes.

22 La salinidad del océano varía sistemáticamente con la latitud en las capas superiores. Es alta en latitudes subtropicales debido a que la evaporación excede a la precipitación. En latitudes medias y altas la precipitación excede a la evaporación y la salinidad en superficie es muy baja. En el océano profundo las variaciones de salinidad son mucho menores que cerca de la superficie, ya que las fuentes y sumideros de agua fresca están en la superficie.

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