Introducción a la climatología

Transcripción

1 TIEMPO METEOROLÓGICO Y CLIMA Introducción a la climatología Tiempo estado instantáneo de la atmósfera en un momento dado, definido por los distintos elementos meteorológicos. Su evolución está condicionada por las distintas perturbaciones que tienen lugar en el seno de la atmósfera. Clima (promedio del estado del tiempo), es una descripción estadística, en términos de valores medios y de variabilidad, de las variables (elementos) de interés durante un período de al menos 30 años. 1 2 Elementos y factores Estaciones Meteorológicas Elemento propiedades o condiciones de la atmósfera que, tomadas en conjunto, particularizan el estado físico del tiempo o del clima en un lugar y en un momento o período de tiempo cronológico determinados. Ej: Temperatura, Presión, Nubosidad, Viento, Humedad relativa, Precipitación, contenido de O3, contaminantes, etc. Los elementos climáticos experimentan variaciones espaciales y temporales debidas a factores que los afectan: Factor astronómico: hora y época del año, radiación solar Factor geográfico: latitud, altitud, topografía, distribución de tierras y mares, distancia al mar Factor dinámico: corrientes oceánicas 3 4

2 SISTEMA CLIMÁTICO TERRESTRE (SCT) Sol atmósfera hidrosfera Biosfera criosfera Agentes forzantes litosfera 5 6 VARIABILIDAD INTERNA del SCT VARIABILIDAD DEL CLIMA Debido a interacciones dinámicas y termodinámicas entre las diferentes componentes de SCT VARIABILIDAD FORZADA Debido a que forzantes externos no permanecen constantes NATURALES Agentes forzantes (a) variaciones en la radiación solar (procesos en el seno del sol, cambios en la órbita terrestre, cambios en la oblicuidad del eje polar) (b) cambios en la composición química de la atmósfera (vulcanismo) (c) alteraciones de la superficie terrestre (procesos geológicos naturales) ANTROPOGENICOS PERIODICAS DIARIAS, debido a la rotación de la Tierra sobre su eje ANUALES, debido a la traslación de la Tierra alrededor del Sol CUASIPERIODICAS, asociadas con alteraciones en el seno del Sol y/o variaciones en las características orbitales de la Tierra. 7 (a) alteración de la superficie terrestre (ciudades y embalses, desforestación, desertificación, etc.) (b) cambios en la composición química de la atmósfera (alteración del efecto de invernadero natural y de la capa de ozono) (c) aumento de la concentración atmosférica de contaminantes sólidos y líquidos (smog urbano, lluvia ácida) 8

3 SISTEMA CLIMÁTICO TERRESTRE ATMOSFERA MAR ATMÓSFERA ESPACIO Precipitación Interacciones Hielo- aire Hielo Nubes Corrientes Interacciones Hielo-océano Radiación solar neta (onda corta) Absorción Reflexión emisión Viento Interacción tierra-mar Radiación terrestre neta (onda larga) Lagos y ríos Agua subterránea Gases y Partículas volcánicas Interacción tierra-aire Escorrentía Procesos de la superficie terrestre Hielo y nieve Actividad humana TIERRA ATMÓSFERA ESPACIO La atmósfera es una mezcla de diferentes gases y aerosoles (partículas líquidas y sólidas suspendidas) que envuelve la tierra Funciones: sostener la vida controlar el balance de energía de la tierra Su composición es el resultado de eficientes procesos de reciclado biogeoquímico y mezcla turbulenta de la atmósfera Composición de la atmósfera a) Dióxido de carbono (CO2) Componente Fórmula química % volumen (aire seco) complejo ciclo global Nitrógeno N es elemento básico en la formación de las moléculas de carbohidratos, Oxígeno O lípidos, proteínas y ácidos nucleicos Argón Ar % de estas reservas de CO2, se consumen en los procesos Dióxido de Carbono* CO de fotosíntesis (renovación en la atmósfera cada 20 años) Neón Hidrógeno Ne H Helio Criptón He Kr Es un de los gases invernadero El ciclo global del carbono Xenón Xe Aporte importante por respiración de raíces y organismos del suelo Metano* CH CO2 fijado en conchas, caparazones o arrecifes coralinos CO2 liberado también en erupciones volcánicas, y respiración, procesos en Ozono O suelos, combustión de componentes carbonados y evaporación oceánica. A la inversa, es disuelto en los océanos y consumido durante la fotosíntesis de las Composición gaseosa promedio del aire seco por debajo de los 25 km (99% plantas. de la masa de la atmósfera yace debajo de unos 25 a 30 km de altura) 11 12

4 El ciclo global del carbono b) Metano (CH4) es otro de los gases invernadero producido por procesos anaeróbicos (deficientes de oxígeno) tales como los cultivos de arrozales o la digestión animal y por causas antrópicas c) Oxido nitroso (N2O) producido por mecanismos biológicos en los océanos y los suelos y por causas antropogénicas d) Ozono (O3) está presente en la estratosfera, en donde protege a la tierra de los niveles dañinos de radiación ultra violeta (UV) y en concentración menor en la baja troposfera. En los últimos años se ha despertado una preocupación sobre la destrucción de la capa de ozono, principalmente e) Halocarbonos Los halocarbonos son componentes que contienen carbón, halógenos tales como cloro, bromo y flúor y algunas veces hidrógeno g) Aerosoles partículas pequeñas (0,01 y 10 mm) sólidas o líquidas en suspensión en el aire y que permanecen en la atmósfera como mínimo durante varias horas. antropogénicos como los CFCs o pueden tener origen natural CFCs que están siendo eliminados por fases bajo los términos del Protocolo de Montreal, para proteger la capa de ozono. forma parte del ciclo hidrológico global. polvo, hollín, cristales de sal marina, esporas, bacterias, virus y una plenitud de partículas microscópicas origen natural o antropógeno f) Otras gases en menor proporción (oligoelementos) Además de estos gases, el vapor de agua (H2O) es un constituyente vital de la atmósfera, promediando alrededor del 1% en volumen forma parte del ciclo hidrológico global. El vapor de agua es el gas invernadero más importante y de acuerdo a su abundancia juega un papel crucial en la regulación del balance energético de la atmósfera 15 Afecta clima directamente: dispersión y absorción de la radiación. indirectamente: actuando como núcleos de condensación para la formación de nubes o modificando las propiedades ópticas y el período de vida de las nubes. 16

5 Estructura vertical de la atmósfera Troposfera Presión (Pa) I I I Tiene variaciones significativas en la temperatura y la presión con la altura. Su espesor varía de 9 km en los polos a los 16 km en el ecuador, principalmente como resultado de los diferentes balances de energía en esas regiones. Las temperaturas suelen disminuir con la altura (aproximadamente 6,5ºC/km) I I I I Temperatura (ºK) O3 >T Fig. División vertical de la atmósfera de acuerdo a las condiciones de temperatura y presión 17 Contiene un 75% de la masa gaseosa de la atmósfera, así como casi todo el vapor de agua y los aerosoles. El 99% de masa de la atmósfera se encuentra en los primeros 30 km. Ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos. Estos son parcialmente debidos a procesos convectivos que se establecen cuando el aire de la superficie es calentado (calentado por la superficie misma de la tierra), se expande y se eleva enfriándose a altos niveles en la troposfera. 18 LA CAPA DE OZONO El agujero de ozono Función: protege a la superficie terrestre de la radiación UV "B" En forma estacional, entre los meses de agosto y noviembre, se viene observando, desde mediados de los 70' una región con valores relativamente bajos, delimitada con una zona estrecha. controlar la estructura térmica de la estratosfera, absorbiendo tanto la radiación solar UV "B" como la radiación terrestre saliente, de onda larga. La radiación UV-B puede producir daño en los seres vivos irritación a la piel, conjuntivitis y deterioro en el sistema de defensas, hasta llegar a afectar el crecimiento de las plantas y dañando el fitoplancton, con las posteriores consecuencias que esto ocasiona para el normal desarrollo de la fauna. Los modelos más recientes que describen la formación periódica del agujero de ozono coinciden a atribuir su presencia a la acción conjunta de dos aspectos fundamentales: * La circulación y dinámica atmosféricas * El daño provocado por el hombre 19 20

6 EL BALANCE DE ENERGIA DE LA TIERRA Mecanismos de transferencia de la energía calórica radiación, conducción y convección es el único de estos mecanismos que puede atravesar el espacio relativamente vacío El aire es un mal conductor del calor. Consecuentemente, la conducción es solo importante entre la superficie de la Tierra y el aire directamente en contacto con ésta. El calor ganado por la capa más baja de la atmósfera, ya sea por radiación o por conducción, es con frecuencia transferido por convección. La convección es la transferencia de calor por el movimiento de una masa o sustancia liquido o gas), de un lugar a otro. La radiación juega también un importante papel en la transferencia de calor desde la superficie de la Tierra hacia la atmósfera y viceversa. La conducción es la transferencia de calor a través de la materia por actividad molecular. La energía de las moléculas se transfiere de una molécula a otra mediante colisiones, de modo que el calor fluye desde las altas a las bajas temperaturas. 21 Los movimientos convectivos en la atmósfera son responsables de la redistribución de calor desde las regiones ecuatoriales a los polos y desde la superficie hacia arriba. 22 Variación de la radiación: Condiciones atmosféricas y ambientales del lugar (Ej. Nubes) Situación geográfica (latitud) Movimiento de la tierra (traslación y rotación) Ilustración de los procesos que se producen en la atmósfera entre la zona ecuatorial y la polar. Un factor adicional, no contemplado en este ejemplo, que es el movimiento de rotación de la Tierra

7 EL BALANCE DE ENERGIA EN EL SISTEMA TIERRA-ATMOSFERA Balance anual de energía de la Tierra. La superficie de la Tierra recibe del Sol 161 w/m2 y del Efecto Invernadero de la Atmósfera 333w/m², en total 494 w/m2,como la superficie de la 25 Tierra emite un total de 493 w/m2 ( ), supone una absorción neta de calor de 26 0,9 w/m2, que en el tiempo actual está provocando el calentamiento de la Tierra. Distribución de la radiación global DISTRIBUCIÓN DE LA RADIACIÓN NETA (ENTRANTE SALIENTE) EN SUPERFICIE, EN PRESENCIA DE LA ATMÓSFERA balance de radiación en la superficie terrestre 27 28

8 Radiación Solar (Época del año, hora del día) 29 Radiación incidente promedio en Misiones y Tierra del Fuego. Los valores están expresados en MJ.m-2/día, ese valor corresponde al promedio de cada mes 30 Sistema de circulación general atmosférica Célula Polar Célula de Ferrel Célula de Hadley 31 32

9 LA PRESION Y EL VIENTO * Presión atmosférica Es la presión ejercida por el peso de la atmósfera sobre la superficie terrestre Disminuye con la altura Importancia de la presión atmosférica El movimiento horizontal del aire efectúa el transporte de energía (calor) y humedad y el movimiento vertical es responsable de la presencia o ausencia de nubes y de las precipitaciones. * El movimiento del aire (viento) La diferencia permanente de temperatura entre el ecuador y los polos (y por lo tanto diferencia de presiones), por un lado, y entre la atmósfera superior e inferior, por el otro, proporciona a energía necesaria para generar el 33 movimiento del aire. 34 La fuerza desviadora de la rotación de la Tierra (fuerza de Coriolis) La fuerza de Coriolis es consecuencia de que el movimiento de las masas de aire sobre la superficie terrestre está referido a un sistema móvil de coordenadas (que son los paralelos y meridianos terrestres), debido a la rotación de la Tierra sobre su eje. Hemisferio Norte Qué es lo que ocurre? Supongamos que una masa de aire polar se desplaza meridionalmente hacia el ecuador, con un movimiento rectilíneo. Como la Tierra rota, para un observador residente en ella, la masa de aire se desvía hacia la izquierda en el H.S, o hacia la derecha en el H.N:. 35 Rotación espiral hacia dentro en sentido contrario a las agujas del reloj Rotación espiral hacia dentro en sentido de las agujas del reloj Rotación espiral hacia fuera en sentido de las agujas del reloj Hemisferio Sur Rotación espiral hacia fuera en sentido contrario a las agujas del reloj 36

10 distribución de la presión en superficie Esta configuración no sólo se encuentra en superficie sino también en la tropósfera baja y media, no así en la tropósfera alta. El CSTA es de núcleo caliente puesto que se encuentra ubicado, en promedio, en los trópicos. El CSPB es frío puesto que se encuentra ubicado, aproximadamente, a los 60 de latitud. No ocurre lo mismo con el cinturón ecuatorial de baja presión (que es caliente) ni con el alta polar (que es fría) Mecanismos locales de variaciones de presión 60º A B A * Bajas térmicas continentales Como ya lo adelantamos, en VERANO, sobre los continentes muy calientes, se forman bajas térmicas que interrumpen el SCT. La aparición de estos sistemas térmicos deforma localmente la circulación del aire. 0º 30º - 30º Ejemplo: baja térmo-orográfica del NW argentino. - 60º 39 40

11 60º 60º 30º 30º 0º 0º - 30º - 30º - 60º - 60º HUMEDAD Y PRECIPITACIÓN 60º 3 0º Humedad Relativa Se denomina así al cociente entre la cantidad de vapor de agua contenida en el aire y la máxima que éste podría contener a su temperatura, expresado en forma porcentual. DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DE LA HUMEDAD La mayor parte de la humedad que contiene la atmósfera se encuentra concentrada debajo de los seis primeros kilómetros sobre la superficie terrestre. -60 La atmósfera transporta humedad tanto horizontalmente como verticalmente

12 DISTRIBUCIÓN MERIDIONAL DE LA TENSIÓN DE VAPOR Y DE LA HUMEDAD RELATIVA VARIACIÓN DIARIA DE LA HUMEDAD RELATIVA La humedad relativa disminuye con la latitud hasta unos 30º aproximadamente, para luego volver a aumentar. En general disminuye con la altura. La humedad relativa durante el verano es generalmente mayor que durante el invierno. 45 Valores medios de humedad relativa y temperatura para el mes de mayo en Washington DC., EEUU LA PRECIPITACIÓN Récords de precipitación: Ausencia de lluvias durante 14 años seguidos: Iquiqué, CHILE Mínimo mundial de precipitación media anual (en 53 años): 0,8 mm anuales, Arica, CHILE Máximo de precipitación media anual en América del Sur: mm, Quibdo, COLOMBIA Récord mundial de precipitación media anual: mm, Mt. Waialeaie, Kauai, Hawai Récord mundial de lluvias en un mes: mm (julio de 1861) Cherapundji, India Récord mundial de lluvias en 12 meses: mm (agosto de 1860 a julio de 1861) Cherapundji, India Récord mundial de lluvias en un día: mm, Cilaos, Isla de la Reunión, océano Indico, HS 1. BRISA DE MAR Y TIERRA FACTORES GEOGRÁFICOS DEL CLIMA Este sistema local de vientos se encuentra típicamente a lo largo de las líneas de costa adyacentes a grandes cuerpos de agua y es inducido por las diferencias que se presentan entre el calentamiento y enfriamiento de la superficie de agua y la superficie de tierra adyacente. La radiación solar diurna calienta la superficie de la tierra más que la del agua. La superficie más caliente de la tierra transfiere más calor a la masa de aire subyacente con lo que induce una celda de circulación, La distribución de las precipitaciones, al igual que la temperatura, se ve afectada por: brisas de mar y tierra brisas de valle y montaña efecto orográfico distancia al mar 47 48

13 a) Brisa de mar A las primeras horas del día la tierra y el mar se encuentran aproximadamente a la misma temperatura. En una mañana de calma, las superficies isobáricas serán aproximadamente horizontales; se encuentran a la misma altura sobre la tierra y el mar. B. Efecto oceánico b) Brisa de tierra Al atardecer de un día claro las diferencias de temperatura en la costa, entre un cuerpo de agua y la tierra, producen un viento fresco que sopla hacia fuera de la costa, denominado brisa de tierra. Ascenso y reemplazo en capas superiores Aire ascendente reemplaza al de niveles superiores Aire de niveles mas altos reemplaza a los de superficie Aire de niveles superiores reemplaza al de superficie 27 ºC 18 ºC ºC 18,5ºC BRISA DE VALLE Y MONTAÑA 3. EFECTO OROGRÁFICO (efecto Föehn) Otro grupo de vientos locales está inducido por la presencia de accidentes de montañas / valles sobre la superficie de la tierra. Los vientos conocidos como brisas de montaña, son inducidos por calentamiento o enfriamiento diferencial a lo largo de las pendientes de montañas. El aire húmedo proveniente del Pacífico es forzado a ascender por el obstáculo orográfico. En su ascenso se expande adiabáticamente, enfriándose a razón de 0,6 /100 m, condensando el vapor de agua y dando lugar a nubosidad y precipitaciones. Al descender del lado argentino, se comprime adiabáticamente, calentándose a razón de 1 /100 m y perdiendo su ya pobre humedad por evaporación. Vientos fríos y húmedos 2000 mm/año 4000 mm/año <200 mm/año 51 Océano Pacífico 1000 mm/año 52

14 4. DISTANCIA AL MAR * Corrientes marinas consecuencia climática del efecto de la costa (viento desde el mar) y de la brisa del mar Elemento Costa Interior Humedad Nubosidad + - Precipitación + - T max T min Dif. T diaria Influye el clima sobre el tipo de suelo???? 55 56