Clase 1 La atmósfera terrestre CFG 2009: Atmósfera, Tiempo y Clima
Preguntas claves: Parte A 1. Cuan grande es la atmósfera? 2. De que esta compuesta la atmósfera? 3. Cuál es la historia de la atmósfera?
Cuan alta es la atmósfera? La atmósfera es la capa gaseosa que rodea al planeta tierra (otros planetas también tienen esta envolvente). La experiencia nos indica que el aire se hace menos denso con la altura, una señal que la atmósfera tiene un limite vertical. Una primera aproximación de ese limite fue obtenida en el año 1025 (Alhazen), considerando el tiempo que transcurre desde que el sol se pone en el horizonte y comienza la noche. Esto se debe a que rayos solares son reflejados por las moléculas de aire hacia la superficie de la tierra. El ocaso dura cerca de 36 min. Durante ese periodo la tierra gira: 0.6h*360º/24 = 9 º. Como cos(9º) = R / (R+H), donde R=radio terrestre= 6400 km H 60 km H 9 R Polo Norte
Entonces, podemos re-nombrar a la atmósfera como la delgada envolvente gaseosa de la tierra (99% de su masa bajo los 50 km)
Cuanto pesa la atmósfera? M b = 10 15 Kg
De que esta hecha la atmósfera? Noten que las moléculas importantes (aparte del oxígeno) representan menos del 1%
Historia de la Atmósfera El planeta tierra se formó hace unos 4.500 millones de años (Ma). Su atmósfera consistía probablemente de gases abundantes en el sistema solar: Hidrogeno (H) y Helio (He). Ambos gases son muy livianos y eventualmente se perdieron hacia el espacio: Vel. escape campo gravitacional = 11 km/s Vel. típica de una molécula = (2kT / Mm)ˆ0.5 (M: peso molecular) Vel. típica H = 3 km/s (M=1)...probabilidad de escape: 1/1e6 Vel. típica O = 0.8 km/s (M=16)...probabilidad de escape: 1/1e80 (En ambos casos z=500 km, T=600K).
Historia de la Atmósfera Emisiones volcánicas y enfriamiento del magma inyectaron H 2 0, CO 2, SO 2, N 2, H 2, Cl 2 a la atmósfera primitiva. Enfriamiento de la atmósfera primitiva permitió que vapor de agua condensara y precipitara para formar los océanos. Parte del CO 2 se disolvió en las gotas y también precipitó, incorporándose al océano.
Aparece la vida... 3.900 millones de años atrás, bacterias anaeróbicas (cianobacterias) en el océano comenzaron a producir O 2 a través de la reacción foto-sintética: H 2 O + CO 2 {CH 2 O} + O 2 La reacción anterior requiere luz visible. Bacterias ubicadas cerca de la superficie para recibir luz, pero no tan cerca como para quemarse con la radiación UV.
Alternativa (no excluyente) de la formación de Oxigeno: Otra fuente posible de Oxigeno es la fotodisosiación del Hidrogeno: 2H 2 O + UV 2H 2 + O 2 Oxigeno presente en la atmósfera primitiva fue inicialmente consumido en la oxidación de las rocas. Sin embargo, hacia unos 600 Ma el nivel del O 2 había alcanzado 1-10% de los valores actuales.
La acumulación del O 2 en la atmósfera conlleva la formación de una capa de Ozono (O 3 ) a través de las reacciones: O 2 + UV O + O O 2 + O + M O 3 + M La primera reacción consume la radiación Ultravioleta (UV), de forma que la formación de la capa de Ozono permite que los organismos vivos se acerquen a la superficie del océano y eventualmente salgan a la tierra unos 400 Ma atrás.
Historia de la Atmósfera Existencia de biosfera en la tierra explica también la baja concentración de CO 2. Algunas de estas moléculas son fijadas por los animales, los cuales una vez muertos forman los sedimentos marinos. Estos a la vez entran a la corteza terrestre a través de la subducción y el CO 2 puede regresar a la atmósfera durante erupciones volcánicas. CO 2 en la atmósfera también reacciona con algunos minerales que son disueltos por la lluvia y llevados al mar donde también precipitan en el fondo marino.
Preguntas claves Parte B 1. Qué es la presión y temperatura? 2. Cómo varían con la altura? 3. Cuál es la estructura de la atmósfera?
Atmósfera Aire Moleculas Mundo Microscópico: seguimos a cada molécula Mundo Macroscópico: fluido con propiedades continuas OK 1 m 20 km 10-8 m 10-10 m 1 m 10.000 km
Presión Mundo Microscópico: P = F/A = (2/3)*(N/V)*(½mv 2 ) Mundo macroscópico P = F/A.F ejercida por el fluido La presión dentro de un fluido la continuamos definiendo como la fuerza por unidad de área que ejerce el fluido sobre una pared (real o virtual). La podemos medir con un manómetro Fuerza Deformación Presión = F / A 1 Pascal = 1 Newton / m 2 1 hpa = 100 Pa 1 hpa = 1 milibar A Vacio F Podemos pasear nuestro manómetro por el fluido, con lo cual obtendremos la distribución de presiones: P = P (x,y,z).
Mundo macroscópico: Equilibrio Hidrostático Una observación importante es que en un punto fijo, la presión es independiente de la orientación del manómetro. Además, aplicando la segunda ley de Newton a un cierto volumen de aire de densidad ρ (=M/V) en reposo obtenemos la ecuación de balance hidrostático: Fs = A*p(sup) H W = g*ρ*v Fi = A*p(inf) Δ P = P(inferior) P(superior) = ρ*g*h Es decir, la presión siempre aumenta hacia abajo, y el aumento de presión es proporcional a la densidad del fluido y el espesor de la capa.
Mundo macroscópico: Presión atmosférica (barométrica) En el caso de la atmósfera, la condición en el tope es P(superior) = 0 Tope: p=0 H z P(z) Entonces, la presión atmosférica a una altura z sobre el nivel del mar es: P(z) = g*ρ*h = g*ρ*h*1*1 = g*ρ*vol = g*masa P(z) = Peso columna de aire por encima del nivel z
Mundo macroscópico: Presión atmosférica (barométrica) P(z) = Peso columna de aire por encima del nivel z Entonces la presión atmosférica siempre disminuye con la altura (sobre la superficie) y puede ser empleada como una coordenada vertical.
Completar la tabla siguiente... Nivel Presión Masa sobre nivel Masa bajo nivel Observacionenes [km] [hpa] [kg] [%] [kg] [%] 0 1013 Superficie del mar 5 500 Mo. Aconcagua 12 200 Tropopausa 30 15 Max. Ozono 50 1 Estratopausa 80 1e-2 Termopausa 120 1e-5 Homopausa
Barómetro Aneroide (presión atmosférica comprime un recipiente flexible con vacio en su interior) Barómetro de Mercurio Porque 1013 hpa = 76 cm Hg? Porque no son de H 2 O?
Temperatura Mundo Microscópico: T = 2/(3k)*(½mv2) Mundo macroscópico: La temperatura en tanto se asocia con el concepto de cuan caliente o frío esta un cuerpo o fluido cuando este se toca. Esta indicación cualitativa se cuantifica a través de los termómetros, que usualmente se basan en la dilatación o contracción de un material cuando cambia la temperatura.
Para graduar un termómetro, se necesitan fijar dos condiciones de referencia (fenómenos independientes del instrumento y fácilmente reproducibles en laboratorio): En la mediciones en Centígrados (o grados Celsius), 0 C = punto de fusión del hielo y 100 C = punto de ebullición del agua. La escala en Fahrenheit esta dada por 0 F = temperatura de fusión del XXX y 100 F= temperatura normal del cuerpo humano. [ T(F) = 9*T(C)/5 + 32F ] En meteorología y física, muchas veces se emplea la temperatura en grados Kelvin, donde T(K) = T(C) + 273K
Estructura vertical de la atmósfera Como la conocemos? 1830-1920: Mediciones hasta 10-12 km mediante Globos Aerostaticos 1920: Invención del radiosonda (hasta 40 km) 1950: Invención del Cohete-sonda (hasta 80 km)
Estructura vertical de la atmósfera Inspección del perfil vertical de temperatura revela varias capas en las cuales la temperatura disminuye con la altura (condición normal?) o aumenta con la altura (inversiones térmicas): Troposfera (esfera móvil) Estratosfera (esfera de capas) Mesosfera (esfera media) Termosfera
Estructura vertical de la atmósfera Altura de la troposfera cambia con la latitud y también en el tiempo...
Estructura vertical de la atmósfera En un contexto mas amplio y considerando la distribución de los gases se distingue la homosfera (0-100 km) y la heterosfera (100-500 km). 500 km Exosfera Heterosfera Sol Activo 100 km Homosfera 100 500 1000 1500 2000 K Temperature
Venus Marte Que similitudes/diferencias existen entre la atmósfera de la Tierra, Marte y Venus? Como es la estructura vertical de Júpiter, Saturno, etc...?
Tarea 1 Investigar la composición de la atmósfera de Marte y Venus (Júpiter y Saturno). Enfatizar las similitudes y diferencias entre esas atmósferas y la terrestre. Que procesos pueden explicar algunas de esas similitudes y diferencias? Por ahora, esta clase la pueden bajar desde: ftp://pillan.dgf.uchile.cl/pub/maisa/cgf09/clase01_mr2009.pdf
Completar la tabla siguiente... Capa Gradiente de Temperatura ( C/ Km) Turbulenta o Estable? Fenomenos destacados Troposfera Estratosfera Mesosfera Termosfera