Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. INTRODUCCIÓN a las CIENCIAS de la ATMÓSFERA

Transcripción

1 Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Astronóicas y Geofísicas INTRODUCCIÓN a las CIENCIAS de la ATMÓSFERA Práctica 3 : TEMPERATURA y HUMEDAD. Definiciones, ecuaciones y leyes básicas a) La ezcla de gases atosféricos que denoinaos aire puede ser razonableente aproxiado por un gas ideal, de anera que la relación entre la presión, la teperatura y la densidad del aire puede ser explesada por edio de la ecuación P=ρ R T, donde R una constante que depende del gas en cuestión. En este caso, suponiendo que el aire es un gas ideal (seco) se tiene: R = R d = 287 J kg -1 K -1. b) A partir de la aproxiación de gas ideal es posible deterinar los calores específicos del aire seco a presión constante (C p = 1004 J.kg 1.K 1 ) y a voluen constante (C v = 717 J.kg 1.K 1 ). Por su parte, los valores correspondientes al vapor de agua son: C p = 1911 J.kg 1.K 1 (a presión constante) y C v = 1450 J.kg 1.K 1 (a voluen constante). Calor latente de vaporización del agua: l v = 2, J kg 1, c) Ecuación de Poissón Iagineos que de alguna anera lograos envolver un voluen de aire en un delgado envoltorio elástico. Ese pequeño voluen de aire es denoinado parcela. El aire de la parcela puede expandirse y contraerse tanto coo quiera, pero sin roper su envoltorio, sin ezclarse con el aire del exterior. Supongaos que epujaos la parcela obligándola a ascender. Coo ya sabeos, la presión atosférica decrece con la altura, de anera que la parcela podrá expandirse. La energía para lograr esa expansión deberá ser extraída de las oléculas del aire del interior de la parcela, de odo que la teperatura de ésta desciende. Por el contrario, si ahora epujaos la parcela obligándola a descender, volverá a una región con una ayor presión, de odo que será copriida para recuperar su voluen inicial y su teperatura auentará. En resuen, una parcela de aire en ascenso se expande y se enfría, ientras que una en descenso se coprie y se calienta. Es iportante destacar que todo el proceso descripto se caracteriza por utilizar la energía interna de la parcela, es decir, en ningún oento se habló de un intercabio de energía con el edio circundante. Un proceso terodináico en el que no ocurre intercabio de calor entre sisteas se denoina proceso adiabático. Bajo estas condiciones es posible deducir la ecuación de Poisson, que describe la evolución adiabática de un gas ideal y que establece que a cualquier nivel, el producto entre la teperatura y la Presión elevada a la potencia R d/c p es constante:

2 χ T P = C Siendo χ= R d 0,286 y C una constante, de odo que esta ecuación se puede C p escribir: b) Teperatura potencial T 1 =T 0( P χ 0 P 1 ) Es la teperatura que toaría una asa de aire seco si se la lleva desde el punto en el que se encuentra a la presión de 1000 hpa, siguiendo un proceso adiabático y reversible. θ=t ( 1000 P ) Rd C p c) Paráetros de huedad El contenido de vapor de agua del aire húedo se puede cuantificar con los siguientes paráetros. i) Presión (o Tensión) de vapor (e): es la presión que toaría el aire si se antuviera constante el voluen pero se extrajeran todos los otros gases que lo foran, es en definitiva una presión parcial. Presión de (o Tensión) vapor de saturación (e s ): es la áxia presión que puede tener el vapor disuelto en una asa de aire, por lo tanto este se hallará saturado de vapor. La e s es función exclusivaente de la teperatura, según la siguiente fórula, denoinada fórula de Magnus log e s = 22, ,4 / T - 4,9283 log T Nota: en esta ecuación la unidad de e s resulta en kilopascales (kpa) ii) siendo: iii) Huedad relativa (r): es la relación entre e y e s, es decir: e r = por lo tanto 0 < r < 1 e s Muy coúnente de suele utilizar la huedad relativa porcentual (HR), HR = 100 r Huedad específica (q): es la relación que hay entre la asa de vapor de agua ( v) y la asa total de aire húedo () en una cierta porción de aire.

3 q = v iv) Relación de ezcla (w): es la relación que hay entre la asa de vapor de agua ( v) y la asa total de aire seco ( d) en una cierta porción de aire. w = v d v) Teperatura virtual (T*): es la teperatura que adquiriría una asa de aire húedo se desprendiera de todo el vapor de agua que contiene y este le entregara su calor latente, anteniéndose constante la presión y la densidad. T * = T ( 1+0, 61q) vi) vii) viii) Teperatura de bulbo seco (T): es la teperatura que se ide en el teróetro del abrigo eteorológico. Teperatura de bulbo húedo (T w): es la que se ide en un teróetro envuelto en una tela o gasa (uselina). El valor que se obtiene de el, es el enfriaiento que se produce en el proceso de evaporación isobárica. Teperatura (o punto) de rocío (T d): es la teperatura a la que se debe enfriar isobáricaente una asa de aire para que coience a condensar el vapor de agua que contiene. Una relación útil para que involucra a T, T d y r es la siguiente: T Td = 35 logr d) Procesos de evaporación en la atósfera: T T w lv = C p (w s w) e) Otras relaciones útiles. R d e w ε = ; r = ; w = ε e ; R s v es w s P e w s = ε e P e ; s L L T + w = Tw + w w s ; q = Cp Cp 1 + w

4 Puntos a desarrollar 1) A qué se debe el ciclo de estaciones anuales en cada Heisferio del nuestro planeta? Cóo son los días y las noches en las distintas latitudes en cada estación? Por qué? 2) Describa qué son y cuando tienen lugar (aproxiadaente) los Solsticios y los Equinoccios en el Heisferio Sur Cóo es la duración del día y la noche en cada uno de ellos? 3) A qué se debe el ciclo diurno de teperatura en un día noral, esto es, sin fenóenos eteorológicos especiales? 4) Explique por qué el verano en el HS no es tan cálido coo el verano del HN, desde el punto de vista cliatológico. 5) Describa con sus palabras qué se entiende por proceso adiabático. 6) Explicar qué se entiende por presión de vapor y presión de vapor de saturación. En qué unidades se expresan? De qué variables físicas dependen?. 7) Dos asas de aire a diferentes teperaturas pero con la isa huedad relativa Contienen la isa cantidad de vapor de agua? Por qué?. 8) Explicar de qué foras es posible lograr la saturación de una asa de aire húedo. 9) Explicar cuáles son las diferencias entre teperatura de búlbo húedo y teperatura de rocío. 10) A qué se denoina calor específico de un aterial? Qué significa que un aterial tenga calor específico alto o bajo?. 11) Por qué en un cálido y calo día de verano el aire uy cerca del suelo se halla ás caliente que el aire unos decíetros ás arriba? 12) Explique a qué se debe el efecto oderador de la teperatura que los grandes espejos de agua o el ar tienen sobre las áreas costeras. Por qué razón en una zona arítia, la aplitud térica diaria es ayor sobre el suelo costero que sobre la superficie del ar adyacente? 13) Explique por qué se foran el rocío y la escarcha, en que épocas del año y por qué razón pueden ocurrir abos fenóenos. 14) Qué es una parcela de aire y qué sucede con su voluen y su teperatura al desplazarse verticalente en la atósfera?

5 Probleas 1) Cuál es la teperatura de una asa de aire seco en superficie sabiendo que la presión es de 1012 hpa y su densidad ρ = 1,225 kg. -3? 2) Una asa de aire asciende desde el nivel de hpa hasta 700 hpa. Suponiendo que no ocurre condensación y que la teperatura inicial es de 15ºC, qué teperatura toa la asa de aire al final del proceso? Calcular las densidades del aire en cada una de las respectivas posiciones 3) El archivo TEMPERATURAS, LA PLATA OBS_4_5_ABRIL_2013 contiene la archa horaria de teperaturas para los días 4 y 5 de abril de 2013, en La Plata Observatorio. a) Graficar dicha archa de teperaturas b) Identificar las teperaturas ínias y áxias y sus horas de ocurrencia c) Describir soeraente la evolución de la teperatura a lo largo de cada día d) Cuál es la aplitud diaria en cada día? e) Calcular la teperatura edia ( T ) de abos días. f) Coparar los valores res de teperaturas obtenidos en b, d y e, discutir esos resultados. 4) Una asa de aire tiene una presión de 1013 hpa, una teperatura de 12ºC y una relación de ezcla de 3 g/kg. Calcular la huedad relativa y la densidad de la asa de aire. 5) En deterinada hora de observación, en una estación eteorológica, se iden en el abrigo los siguientes datos: P = 1012,3 hpa; T = 25 ºC y T w = 23 ºC. deterinar el valor de: a) e s b) r c) e d) T d

6 6) Si la huedad relativa edida en la estación de La Plata Obs. Es del 75 % y la teperatura en el abrigo eteorológico es de 21 ºC Cuál es el valor de la teperatura de rocío? 7) Una asa de aire contiene vapor de agua con una razón de ezcla 6 g.kg -1, siendo la presión total de la isa 1018 hpa. Deterinar la presión de vapor. 8) Deterínese la huedad específica de una asa de aire donde la tensión de vapor de agua es de 15 hpa, siendo la presión total 1023 hpa. 9) Una asa de aire húedo se encuentra a una presión de 93.5 kpa, teperatura de 23 ºC, y Huedad Relativa del 45%. Encontrar la presión de vapor de agua, y la relación de ezcla. 10) Si en el abrigo eteorológico se observa una teperatura de bulbo seco T = 18ºC y una teperatura de bulbo húedo T w = 12ºC, obtener el valor de HR. Considerar a p = 1013 hpa, l v = 2, J kg 1, c p = 1004 J kg 1. 11) A partir de una observación en superficie se ha deterinado una presión de 1013 hpa, una teperatura de 15ºC y una relación de ezcla de 5,11x10-3. Calcular la huedad específica y la huedad relativa porcentual correspondiente. 12) Considerar una asa de aire estacionada sobre el suelo que se enfría progresivaente durante toda la noche hasta un punto tal en que se fora niebla. En ese instante la teperatura del aire es de 4ºC. Cuál era la teperatura del aire dos horas antes (cuando ya era de noche) si en ese oento la huedad relativa era de 70%? 13) En una tarde de otoño con el cielo cubierto y el viento en cala, en un instante deterinado la teperatura del aire era de 20ºC y la huedad relativa de 80%. Al cabo de una hora coienza a registrarse una lluvia oderada que persistirá por lo enos hasta un instante posterior en el que se fora neblina. Cuál es la teperatura del aire en ese oento? Suponer que la presión atosférica se antuvo igual a 1013 hpa durante todo el proceso. Despreciar el calentaiento del aire desde el suelo.

7 14) Dada una parcela de aire cuya teperatura potencial es de 305 K, cuál será su teperatura final al desplazarse en la vertical hasta el nivel de 500 hpa? Suponer que en ningún oento ocurre condensación. Respuestas 1) T = 14,85 ºC 2) T = -13,7 ºC, ρ 1010 = 1,22 kg/ 3 ; ρ 700 = 0,94 kg/ 3 4) r = 0,35; ρ = 1,24 kg/ 3 5) a) e s = 31,7 hpa ; b) r = 0,96 ; e = 30,43 hpa ; T d = 24,38 ºC 6) T = 16,6 ºC 7) e = 9,72 hpa 8) q = 9,17 g.kg -1 9) e = 12,65 hpa ; w = 8,5 g.kg -1 10) HR = 81 % 11) q = 5,08x10-3 ; HR = 48% 12) T = 9,4 ºC 13) T = 12,7 ºC 14) T = -22,85 ºC