El Tiempo Atmósferico y la Hidrología

Transcripción

1 El Tiempo Atmósferico y la Hidrología Laura Ibáñez Departamento de Irrigación-UACh

2 METEOROLOGÍA vs. CLIMATOLOGÍA Meteorología es una ciencia que estudia los fenómenos atmósfericos para caracterizar el estado del tiempo en un lugar determinado. Climatología es la ciencia que estudia la clasificación, osciliación y distribución de los climas sobre la superficie terrestre. Estudia la atmósfera terrestre desde la superficie de la tierra hasta una altura de 1600 km apróximadamente (la climatología solo la estudia hasta una altura de 30 m) Está interesada en lo que ocurrirá dentro de las 24 o 48 horas siguientes (se interesa en la historia de la atmósfera de un lugar) Pronóstica el futuro a plazos cortos de uno o dos días (pronostica el futuro con base a la información generada los últimos 30 años) Es considerada una ciencia geofísica (es una ciencia geográfica)

3 TIEMPO ATMÓSFERICO Es el estado momentáneo del conjunto de fenómenos meteorológicos que se dan en un determinado lugar. En un determinado lugar se puede decir: frío o cálido, húmedo o seco, lluvioso o sin lluvia, con viento o calmado. METEOROLOGÍA. ELEMENTOS DEL TIEMPO O CLIMA Son el resultado de la acción conjunta de todos los fenómenos meteorológicos. Algunos elementos son: radiación solar, temperatura, presión atmósferica,viento, evaporación, humedad atmósferica, nubosidad, precipitación, fenómenos eléctricos, fenómenos ópticos, y fenómenos acustícos (truenos)

4 CLIMA Es el conjunto de los fenómenos meteorológicos que caracterizan el estado medio de la atmósfera en algún lugar.también se define como el conjunto de fenómenos meteorológicos que se dan con mayor frecuencia en un determinado lugar. Es una medida de los valores normales y extremos de las variables meteorológicas (p. ejem temperatura) registradas durante una serie de años (30 o más). CLIMATOLOGÍA Factores del clima: Factores del clima: modifican a los elementos del tiempo y del clima. Altitud, latitud, distribución de tierras y aguas, corrientes marinas, circulación general de la atmósfera, radiación solar, relieve, la forma y movimiento de la tierra, vegetación, tipo de suelo, orientación del relieve, exposición a viento

5 METEOROLOGÍA METEOROLOGÍA DINAMICA: movimiento de la atmósfera, movimiento del calor y de la humedad METEOROLOGÍA FÍSICA: radiación solar, radiación terrestre, temperatura, evaporación, condensación, nubes, precipitación METEOROLOGÍA SIPNÓTICA: estudia estado de la atmósfera en un tiempo determinado, predice estado del tiempo

6 METEOROLOGÍA POR APLICACIONES EN LA INGENIERÍA METEOROLOGÍA AGRÍCOLA METEOROLOGÍA INDUSTRIAL METEOROLOGÍA TURÍSTICA HIDROMETEOROLOGÍA: Ciencia encargada de estudiar los procesos atmósfericos que afectan los recursos hídricos de la tierra ó estudio de las fases atmosféricas y terrestres del ciclo hidrológicos y en especial sus interrelaciones.

7 El Tiempo Atmósferico y la Hidrología La atmósfera Radiación solar y terrestre La temperatura Vientos Circulación General de la atmósfera Humedad atmósferica Agua Precipitable

8 LA ATMÓSFERA La atmósfera terrestre ( del griego atmos=vapor y sphaira = esfera), es una mezcla de gases llamada aire. En la atmósfera estan en suspensión cantidades variables de partículas sólidas y líquidas. Es la parte áerea que cubre la superficie terrestre hasta una altura de 1600 km.

9 Funciones de la Atmósfera Actúa como un filtro protector contra las radiaciones ultravioleta, gama y rayos X del sol. Regula la temperatura de la tierra. La propiedad de la atmósfera es absorber y perder calor lentamente impidiendo calentamientos o enfriamientos bruscos. Es una fuente de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, anhídrido carbónico y de agua.

10 ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA TEMPERATURA

11 Estructura Vertical de la Atmósfera En la capa más baja, la troposfera, la temperatura disminuye con la altura en un promedio de 6.5 grados C/km. El aire en esta capa esta muy mezclado debido a corrientes convectivas verticales. Casi todas las nubes son encontradas en estas capas. Alcanza los18 km sobre las regiones ecuatoriales y de 7 a 8 km en los polos. Aquí ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos; contiene casi el 100% del vapor de agua que existe en la atmósfera. Constituída principalmente de dos gases: nitrógeno y óxigeno. La segunda capa es llamada la estratosfera u ozonosfera, tiene un límite superior de 45 km. La temperatura es relativamente constante en la parte baja, pero se incrementa con la altura. El color que toma se atribuye a la absorción de la radiación ultravioleta del sol por el ozono. Esta constituída principalmente de ozono e hidrógeno. Aquí ocurren los vuelos de aviones supersónicos. El aire solo se mueve horizontalmente.

12 Estructura Vertical de la Atmósfera La mesosfera es la zona entre 45 y 80 km en la cual la temperatura disminuye rápidamente con la altura, alcanzando apróx -95 grad. C en la mesopausa (El punto más frío en la atmósfera). Aquí están las nubes más altas. Los meteoritos se desintegran en estas capas por la fricción con el óxigeno. En la termosfera la temperatura aumenta con la altura, alcanzando temperaturas de hasta 1000 g.c. Su espesor se extiende hasta los 1600 km. Mucha actividad eléctrica (ionosfera). Pierde densidad gradualmente hasta que la atmósfera deja de existir.

13 PRINCIPALES GASES QUE COMPONEN LA ATMÓSFERA Componente TERRESTRE Nitrógeno Oxígeno Argón % en volúmen de aire seco Neón Helio Metano Criptón Hidrógeno Concentración en ppm de aire

14 PRINCIPALES GASES VARIABLES EN LA ATMÓSFERA Componente % en volúmen de Concentración en ppm de aire aire seco Vapor de agua 0-3 Anhídrido carbónico (CO 2 ) Monóxido de 100 carbono Anhídrido sulfuroso 0-1 Anhídrido nitroso Ozono 0-2

15 VAPOR DE AGUA E IMPUREZAS Desde el punto de vista de la Ing. Hidrológica el componente más importante de la atmósfera es el agua en forma líquida, sólida, pero más la gaseosa (vapor de agua). Este componente, con las condiciones adecuadas de temperatura y presion se convertirá en precipitación. El aire contiene también una cantidad variable de impurezas tales como polvo, hollín, sales, smog y microorganismos. Estos después se convertiran en nucleos de condensación cuando se van agrupando las gotas que finalmente caerán en forma de lluvia.

16 Cambios en la atmósfera Erupciones volcánicas: reduce radiación solar El Niño: cambia los patrones de precipitación Polvo y partículas sólidas: reduce radiación Sobrecalentamiento por efecto de los gases invernadero, en especial del CO 2 Rompimiento de la capa de Ozono: uso indiscriminado de sustancias llamadas clorofluorocarburos (CFC) Lluvia ácida: nitrógeno y azufre. Industria automotriz.

17 RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE

18 FORMAS DE CALENTAMIENTO DE LA ATMÓSFERA CONDUCCIÓN: contacto directo, especialmente entre dos cuerpos sólidos. Despreciable en la atmósfera porque el aire es un mal conductor pero es importante en el suelo. RADIACIÓN: el calor se transmite a través de ondas electromagnéticas, las cuales viajan a través del vacío. Es la manera en que la tierra y la atmósfera se calientan al recibir la energía solar. CONVECCIÓN: el aire que está en contacto con la CONVECCIÓN: el aire que está en contacto con la superficie del suelo, una vez que se calienta por conducción y radiación, se eleva. El aire caliente se mueve hacia arriba y el frío baja. (mov. vertical circulatorio del aire ascendente y descendente dandole así calor a la atmósfera).

19 RADIACIÓN Es un proceso físico mediante el cual se transmite energía en forma de ondas electromagnéticas. Las ondas poseen dos características: longitud y frecuencia. El sol es la principal fuente de energía para el planeta; la radiación solar constituye el 99.97% de la energía involucrada en los fenómenos meteorológicos (onda corta). Otras fuentes de energía son la radiación emitida por la tierra (onda larga). La radiación solar influye enormemente en ciclo hidrológico, en el cual los cambios de estado físico (evaporación, evapotranspiración) requieren energía.

20 RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE Radiación Solar = onda corta. Longitud de onda 0.4 a 0.7 micrometros (400 a 700 nanómetros) Radiación emitida por la tierra = onda larga Longitud de 0.7 a 20 micrometros

21 Tipos de radiación solar Radiación química o ultravioleta: radiaciones con longitud de onda pequeña (menor de 400 nm). Producen efectos menores en plantas y animales y son absorbidos por las moléculas de ozono y oxígeno que son quienes protegen a los seres vivos de los efectos nocivos de los rayos ultravioleta. Radiación luminosa o luminica: es la única visible para el ojo humano y su long. De onda varía de 400 a 700 nm. Constituye lo que comúnmente llamamos luz. Es la más importante para cualquier tipo de vida. Radiación térmica o infrarroja. Son las radiaciones cuya longitud de onda es mayor a 700 nm. La mayor parte de esta radiación es absorbida por el dióxido de carbono y el vapor de agua de la atmósfera. Si llegara con toda su intensidad se calentaría la tierra

22

23 Espectro electromagnético: es el espacio ocupado por el conjunto de ondas electromagnéticas emitidas por el sol. Rayos gamma Rayos X Luz ultravioleta Luz Visible Rayos Infrarrojos Microondas Ondas de Radio y Televisión

24 RADIACIÓN DE ONDA LARGA Tanto la superficie del terreno como la superficie libre del agua emiten radiación, porque una propiedad de la radiación solar es que al encontrarse con un cuerpo, es absorbida por este y emite a su vez radiación con longitud de onda larga hacia la atmósfera. La mayor parte de la radiación de onda larga emitida es absorbida por el vapor de agua, las nubes y el dióxido de la atmósfera y una porción es reirradiada como radiación atmósferica.

25 VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR A SU PASO POR LA ATMÓSFERA TERRESTRE

26 RADIACIÓN Del total de la radiación que llega a la atmósfera terrestre apróx. el 30% es reflejada al espacio principalmente por las nubes y superficie terrestre. Un 19% es absorbida por las nubes y la atmósfera y un 51% es absorbida por la superficie. Radiación solar = radiación directa + radiación difusa = radiación global. La directa es transmitida integra hasta el suelo. La difusa es la que es reflejada o dispersa. La proporción de radiación directa y difusa que recibe el suelo depende de la altitud del sol, la absorción de la atmósfera, nubes, etc. El método de cálculo de evapotranspiración de Turc es basado El método de cálculo de evapotranspiración de Turc es basado directamente en información sobre radiación solar incidente o radiación solar directa.

27 RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE La radiación solar incidente (Ri) es aquella radiación solar que llega directamente a la superficie (no es reflejada ni dispersada) se calcula así (Armstrong) R i = R A a + b n N a b = cos( latitud en grados = ) R i = Radiación solar incidente diaria para el mes, langleys/día R A = radiación global incidente, langleys/día (tabla 3.2 y depende de la latitud) a y b = constantes empíricas n = duración observada de las horas luz (medida con heliografo de Campbell-Stokes) u horas brillo N = número máximo de horas luz (tablas y depende latitud y del mes). Langley = 1 cal/cm2; 1 cal =4.18 joules

28 EVAPOTRANSPIRACIÓN- MÉTODO DE TURC ETP t t + 15 = ' a i ( R + 50) langley=cal/cm2 ETP = evapotranspiración potencial en mm t = temperatura mensual del aire en grados centigrados Ri= Radiación solar incidente media diaria del mes en langleys/dia a =0.40 para meses de 30 y 31 días; =0.37 para febrero; 0.13 para intervalos de 10 días NOTA: se hace una corrección a ETP para zonas áridas con el siguiente factor: H. R. 70

29 Balance de energía entre la tierra y la atmósfera: Radiación onda corta y radiación onda larga

30 EL BALANCE DE CALOR EN LA TIERRA La Figura muestra que pasa a la energía de la tierra. Aunque existe un balance de calor para el planeta como un todo, no todas las partes estan en balance radiactico. Es el inbalance entre la energía que entra y la que sale sobre la tierra que conduce a la creación de sistemas de viento y corrientes en el oceano que actúan para aliviar los excesos y deficits de calor.

31 Tormentas severas

32 CALENTAMIENTO DEL PLANETA (TEMPERATURA) Factores que influyen en la temperatura: Influencia de tierras y mares Influencia de la altitud Influencia de la latitud Nubosidad Estaciones del año

33 Variación estacional de la Temp Julio Enero T media en la sup.

34 Oceano y temperaturas El oceano actúa como almacen de calor. Existe una variación más grande de temps. sobre los continentes que sobre el oceano. También note que las isotermas se sumergen hacia el ecuador cuando van sobre el oceano en verano y se van hacia los polos en el invierno, indicando que el oceano es más frío que el continente en el verano y más caliente que el continente en invierno.

35 Maravillas de la Maravillas de la naturaleza

36 VIENTOS Es el aire en movimiento horizontal debido principalmente a las diferencias de temperatura existente entre dos masas de aire, a las fuerzas de: presión, fricción, Coriolis, gravedad; forma y movimiento de la Tierra. Generalmente se le llama viento solo al componente horizontal del movimiento del aire, pues el vertical es casi siempre pequeño. El viento es un regulador de la temperatura atmósferica ya sin ellos los polos serían más fríos y el ecuador se calentaría en forma inimaginable. Los vientos mueven a las nubes y también arrastran los contaminantes atmósfericos.

37 VIENTOS En los procesos de evaporación y evapotranspiración el viento lleva calor y vapor de agua hacia la superficie evaporante o hacia afuera de la misma. El viento es un componente esencial de las tormentas. Su velocidad se mide con anemometros o anemografos y su dirección por medio de veletas.

38 Fuerzas que originan los vientos Las fuerzas que producen los vientos son fundamentalmente: la de presión atmósferica (P), la de la fuerza de Coriolis (c) y la de fricción (F). El viento se mueve por un gradiente de presiones. De mayor a menor presión (isobara: une puntos de igual presión). P La fuerza de Coriolis produce un efecto desviador en los vientos (por rotación de la tierra). C. La fuerza de fricción (con la atmósfera) es muy pequeña y cobra fuerza para altitudes mayores de 600 m. F

39 Balance de Fuerzas

40 Polares VIENTOS IRREGULARES Huracanes o ciclones tropicales Trombas Tornados Vientos Locales: Barlovento y sotavento PERIÓDICOS Brisas Regionales: brisa de mar, brisa de tierra, brisa de valle, brisa de montaña Brisas Continentales: monzones o estacionarios REGULARES (Circulación General de la Atmósfera) Alisios Oeste

41 Circulación General de la atmósfera Modelo Teórico La circulación general de la atmósfera es la distribución general media de los vientos sobre la superficie del globo. La principal fuente de energía para los movimientos de la atmósfera es el calentamiento solar. El modelo teórico también puede llamarse de circulación térmica y considera a la tierra como una esfera homogénea sin rotación. Entonces debido a las temperaturas progresivamente decrecientes del ecuador a los polos, el aire del ecuador sería más caliente, se dilataría y elevaría siendo reemplazado por aire frío proveniente de los polos, entonces el viento seguiría los meridianos funcionando como una celula convectiva.

42 Circulación General de la atmósfera La circulación general de la atmósfera afecta el clima y en especial la precipitación. El modelo teórico anterior se ve modificado por el movimiento de la tierra (oeste a este). La rotación origina una fuerza desviadora llamada de Coriolis. Que hace que los vientos se inclinen en la dirección NE-SO en el hemisferio norte y NO-SE en el hemisferio Sur Del esquema de la circulación general de la atmósfera se Del esquema de la circulación general de la atmósfera se indica que el aire se mueve de zonas de alta presión (anticiclones ) a zonas de baja presión (ciclones)

43 DIFERENCIAS DE PRESIÓN, DETERMINANTES EN LA CIRCULACIÓN GRAL. DE LA ATMÓSFERA

44 CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA

45 CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA La circulación general de la atmósfera ayuda a definir las zonas más lluviosas. Los desiertos se encuentran en las zonas de alta presión, especialmente alrededor de los 30 grados de latitud. Los climas húmedos se encuentran en aquellas regiones en las que existen movimientos ascendentes del aire como ocurre en las calmas ecuatoriales y en los cinturones de latitudes medias.

46 El Tiempo Atmósferico y la Hidrología La atmósfera Radiación solar y terrestre La temperatura Vientos Circulación General de la atmósfera Humedad atmósferica Agua Precipitable

47 HACIA EL CONCEPTO DE AGUA PRECIPITABLE Presión atmósferica Humedad atmósferica Presión de vapor a saturación Punto de rocío Humedad específica, q h Agua Precipitable

48 Presión atmósferica Es el peso de la columna de aire que gravita sobre una unidad de área. La presión (p) varía con la altura (z). A nivel del mar (z=0) la presión atmósferica es de 1 bar (=760 mm Hg). p z = p = presión atmósferica en milibares z =altitud sobre el nivel del mar en metros Apróx. Varia 1 mb por cada 10 metros; valida hasta los 12,000 m

49 HUMEDAD ATMÓSFERICA Es la cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera. Esta varía del 0 al 5% del volumen total de la troposfera y proviene principalmente de la evaporación de los oceanos; otra buena parte proviene de los lagos, ríos, manantiales, superficies húmedas, respiración y transpiración de los seres vivos.

50 IMPORTANCIA DE LA HUMEDAD ATMÓSFERICA Es la responsable de la aparición de los hidrometeoros (nubes, lluvia, niebla, rocío, etc.) Origina el agua dulce que mantiene la vida en la tierra Regula la pérdida de calor que irradia la tierra, influyendo en el calentamiento y enfriamiento de la atmósfera Representa una fuente de energía en forma de calor latente que se libera al formarse las nubes (condensación)

51 Formas de como se expresa la humedad atmósferica Presión ó Tensión de vapor a saturación, e S Tensión de vapor actual, e Humedad absoluta, HA Humedad específica, q h Humedad relativa, HR Punto de rocío (temperatura punto rocío, T d )

52 Formas de expresar la humedad atmósferica Presión de vapor actual, e: es la presión que ejerce el vapor de agua contenido en un momento dado por el aire; indica la cantidad de vapor de agua que existe en el aire. Se mide en milibares o mm de mercurio. Presión de vapor a saturación, e s : es la presión de vapor que ejercen las moléculas de vapor de agua contenidas en un volumen de aire cuando éste, contiene todo el vapor de agua que es capaz de contener. Existe una tabla que para cada temperatura, corresponde una e s. Se mide en milibares o mm de mercurio.

53 Formas de expresar la humedad atmósferica Humedad absoluta: es el peso, en gramos del vapor de agua contenido en um m3 de aire, sin tomar en cuenta su temperatura, HA Humedad Específica: Es el peso en gramos del vapor de agua contenida en un kilogramo de aire. q e = 622 h p e e = Presión de vapor, mb p = presión atmósferica, mb 1 mm Hg = milibares

54 Formas de expresar la humedad atmósferica Humedad relativa, HR: es el cociente que resulta de dividir la cantidad de vapor de agua que existe en el aire, e entre la cantidad máxima que puede contener a una cierta temperatura expresada en porcentaje de saturación HR = e e S 100 Punto de rocío: es la temperatura a la cual el vapor de agua de la atmósfera empieza a condensarse. Cuando la HR es del 100% se dice que el aire esta saturado y la temperatura a la cual alcanzo dicha saturación se le conoce como punto de rocío. Si la saturación se alcanza a t >= 0 g.c. la condensación es líquida de lo contrario es sólida (escarcha, nieve, granizo)

55 Estimación de la presión de vapor actual a partir de Psicrometro tipo Assman e = e p ( T T )( T sh s h h ) T s = Temperatura del bulbo seco, en g.c. T h = Temperatura del bulbo húmedo en g.c. e sh = Presión de vapor a saturación para T h, en mb e = Presión de vapor, mb p = presión atmósferica, mb 1 mm Hg = mb

56 Temperatura a punto de rocío (T d ) 3 14 [( T ) X ] + ( T )( ) T T = ( T ) X + + X d T= Temperatura ambiente, oc T d = Temperatura del punto de rocío X = (H.R./100) H.R. = Humedad relativa

57 AGUA PRECIPITABLE, W p Tirante en mm que resultaría de la condensación y precipitación de todo el vapor de agua contenido en la columna de aire. Aunque no existe en la naturaleza un proceso capaz de precipitar toda la humedad de una capa de aire, da una idea de la precipitación que pudiera llover. Se calcula por incrementos de presión o altura: W p = 0.01 p o 0 q h dp = 0.01 q h p z p p z p Las radio sondas miden humedad especifica q h = humedad específica media en cada intervalo, gr/kg p = Incremento de presión en mb W p = Lámina precipitable en mm

58 ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA TEMPERATURA

59 RADIO SONDA METEOROLÓGICA Mide temperatura, presión y humedad atmósferica con sensores.

60 EL GLOBO PARA LA RADIOSONDA La radiosonda se pega a un globo de hidrógeno que se elevará por la troposfera y estratosfera baja (cuando mucho 30 kilómetros hacia arriba) en un tiempo no mayor de 90 minutos. En tierra un equipo recibirá la información de los sensores de temperatura, humedad y presión.