Tema 3: Entrada en el sistema climático Balance de radiación o el equilibrio dinámico

TEMARIO GENERAL 1. Introducción: Climatología y Biogeografía como ciencias geográficas. 2. Componentes del sistema climático: la atmósfera como escenario de los fenómenos meteorológicos. 3. Entrada del sistema climático: el balance de radiación o el equilibrio dinámico. 4. Parte central del sistema climático: los procesos termodinámicos de reajuste. [Circulación general de la atmósfera y aspectos básicos: presiones, vientos, mecanismos de precipitación, masas de aire, mapas de tiempo]. 5. Salida del sistema climático: distribución de temperaturas y precipitaciones. 6. Los climas del mundo: la base de los biomas.

BALANCE RADIACIÓN: ASPECTOS CLAVE 1. Entrada al sistema: el espectro solar 2. Balance onda corta. Pasos Radiación capa exterior atmósfera Travesía atmósfera Balance radiación onda corta superficie terrestre 3. Balance onda larga: intercambio Tierra-Atmósfera 4. Sistema-balance global radiación: Equilibrio con el exterior Desequilibrios internos: Superficie terrestre-atmósfera Latitud / Estaciones

CALOR = ENERGÍA = unidades energéticas [caloría: cantidad de calor necesaria para que un gramo de agua eleve su temperatura en 1ªC] TEMPERATURA ENERGÍA = ºC [relacionado con la velocidad de las partículas de un cuerpo o su capacidad para ceder calor] CALOR ESPECÍFICO Cantidad de calor que hay que suministrar a un cuerpo para elevar su temperatura en 1ºc CALOR SENSIBLE [calor empleado en elevar la temperatura] CALOR LATENTE [calor que NO se emplea en aumentar la temperatura; ej. calor suministrado al agua a 100ºC es empleado en la evaporación]

LA RADIACIÓN SOLAR [ojo: la radiación es transferencia de energía por ondas electromagnéticas] SOL Proceso de conversión de Hidrógeno en Helio Liberación de gran cantidad de energía Constante solar 1397 W/m2 Esta energía se transmite hasta la Tierra en forma de ondas electromagnéticas con diferentes longitudes Media en el límite exterior de la atmósfera 348,7 W/m2 ESPECTRO SOLAR Conjunto de longitudes de onda emitidas por el sol (predominio de las longitudes de onda corta por la elevada temperatura del sol: 6.000 K)

RADIACIÓN SOLAR procede de un astro de altísima temperatura: ONDA CORTA (ultravioleta / visible / infrarrojo próximo)

RAYOS ULTRAVIOLETA: 0,1-0,4 micrómetros. Transportan (junto a rayos X y gamma) el 9% de la energía total emitida por el Sol

RAYOS VISIBLES: 0,4 0,78 micrómetros. Transportan el 41% de la energía total emitida por el sol. Colores.

RAYOS VISIBLES: 0,4 0,78 micrómetros. Transportan el 41% de la energía total emitida por el sol. Colores. El arco iris

El arco iris

RAYOS INFRARROJOS: 0,78-3 micrómetros (infrarrojo próximo). Transportan el 50% restante de la energía total emitida por el Sol

ESPECTRO SOLAR: RADIACIONES CLAVE RAYOS INFRARROJOS: 0,78-3 micrómetros (infrarrojo próximo). Transportan el 50% restante de la energía total emitida por el Sol

Balance de radiación de onda corta

Balance de radiación de onda corta Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Balance de radiación de onda corta Equilibrio con el exterior? Latitud Desequilibrios internos? Tierra- Atmósfera

Balance de radiación de onda corta Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación capa exterior atmósfera Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación absorbida Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación capa exterior atmósfera Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES Ángulo de incidencia de los rayos solares

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES Ángulo de incidencia de los rayos solares Tiempo de exposición al Sol

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES Ambos parámetros varían según: LATITUD ESTACIÓN

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES Esfericidad de la Tierra Inclinación del eje de la Tierra Ambos parámetros varían según: LATITUD ESTACIÓN

Esfericidad de la Tierra Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES

Inclinación del eje de la Tierra Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES Inclinación del eje de la Tierra Ejemplo: el 21 de diciembre el ángulo de incidencia de 90º no está en el Ecuador, sino en el Trópico de Capricornio

Radiación capa exterior atmósfera: FACTORES Esfericidad de la Tierra Inclinación del eje de la Tierra

Radiación capa exterior atmósfera Equilibrio con el exterior? No procede la pregunta Tierra- Atmósfera No procede la pregunta Desequilibrios internos? Latitud Máxima en el Ecuador y disminuyendo hacia los Polos

Radiación capa exterior atmósfera Máxima en el ecuador y disminuyendo hacia los polos Tres tipos de regímenes: Cinturón intertropical (dos máximos y dos mínimos con valores siempre altos y similares) Latitudes medias (máximo elevado en un solsticio y mínimo reducido en el otro) Cinturón polar (gran contraste entre máximo y mínimo, que puede llegar a ser nulo).

Radiación capa exterior atmósfera

Radiación capa exterior atmósfera: desequilibrios latitudinales

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera ABSORCIÓN: el ejemplo del Ozono-Rayos Ultravioleta

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 25% Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 25% Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE

REFLEXIÓN: Por qué los cuerpos tienen color?

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera REFLEXIÓN: la cúpula blanca de los nubes

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 25% Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 25% Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera REFLEXIÓN-DIFUSIÓN: por qué es el cielo azul?

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera REFLEXIÓN-DIFUSIÓN: por qué es rojo el atardecer?

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 6% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 6% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21%

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 6% Radiación directa del Sol 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21%

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera Radiación solar 20% 6% Radiación directa del Sol 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21% 28%

Radiación incidente en el límite exterior de la Atmósfera: 343 W/m 2 [por convención se estima 100 unidades de entrada]

25 25 absorción por la Atmósfera [3 Estratosfera + 19 Troposfera (vapor agua, CO2, aerosoles) + 3 nubes]

25 26 26 reflexión y devuelta al espacio exterior [20 nubes + 6 difusión] (radiación onda corta sin ser absorbida)

25 26 49 de la radiación llega a la superficie [100 (25+26)] 49

25 26 49 de la radiación llega a la superficie [100 (25+26)] [28 radiación directa del sol + 21 radiación difusa] 28 49

Radiación capa exterior atmósfera Equilibrio con el exterior? AL EXTERIOR: 26 TIERRA-ATM.: 74

Radiación capa exterior atmósfera Equilibrio con el exterior? AL EXTERIOR: 26 TIERRA-ATM.: 74 Tierra- Atmósfera No procede la pregunta Desequilibrios internos?

Radiación capa exterior atmósfera Equilibrio con el exterior? AL EXTERIOR: 26 TIERRA-ATM.: 74 Tierra- Atmósfera No procede la pregunta Desequilibrios internos? Latitud Se mantiene las modificaciones latitudinales en la misma proporción que en límite exterior de la atmósfera. Cambia la ubicación de máximos y mínimos

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera CLAVES: Se mantiene las modificaciones latitudinales en la misma proporción que en límite exterior de la atmósfera. Cambia la ubicación de máximos y mínimos: Máximo en 20º-30º (no en Ecuador). Causa: cinturón de Anticiclones subtropicales Mínimo en 70-80º (no en polos). Causa: banda de borrascas y frentes asociados

Radiación incidente en la superficie tras la travesía por la Atmósfera

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Radiación absorbida por la superficie terrestre Radiación solar 26% 6% Radiación directa del Sol 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21% 28%

Radiación absorbida por la superficie terrestre La clave es el ALBEDO: Depende del ángulo de incidencia de los rayos solares y la naturaleza del cuerpo Océanos: 2-5% Selvas: 5-15% Praderas: 15-20% Arenas: 25-30% Nieve: 80%

Radiación absorbida por la superficie terrestre Radiación solar 20% 6% Radiación directa del Sol 4% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21% 28%

Radiación absorbida por la superficie terrestre Radiación solar 20% 6% Radiación directa del Sol 4% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21% 24%

Radiación absorbida por la superficie terrestre Radiación solar 20% 6% Radiación directa del Sol 4% 25% Radiación difusa Partículas atmosféricas (azul) Absorción: - Ozono (Rayos ultravioleta) - Vapor agua y CO2 (infr. próximo) - Humo, polvo, partículas (otras) Reflexión: Cristales hielo/gotas (blanco) SUPERFICIE TERRESTRE 21% 45% 24%

25 26 49 de la radiación llega a la superficie [100 (25+26)] [28 radiación directa del sol + 21 radiación difusa] 28 49

26 Reflexión media (albedo): 4 28 49

26 La energía absorbida de radiación directa es 28-4 = 24 49

26 La energía final absorbida es 24 + 21 = 45

26 Por lo que la radiación de onda corta que finalmente sale al exterior es 26 + 4 = 30

Por lo que la radiación de onda corta que finalmente sale al exterior es 26 + 4 = 30

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? AL EXTERIOR: 30 TIERRA-ATM.: 70

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? AL EXTERIOR: 30 TIERRA-ATM.: 70 TIERRA: 45 absorbidas Tierra- Atmósfera ATMÓSFERA: 25 absorbidas Desequilibrios internos?

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? AL EXTERIOR: 30 TIERRA-ATM.: 70 TIERRA: 45 absorbidas Tierra- Atmósfera ATMÓSFERA: 25 absorbidas Desequilibrios internos? Se agudizan por cinco las diferencias latitudinales Latitud Máximos en latitudes intertropical y mínimos en los polos (por albedo)

Radiación absorbida por la superficie terrestre Dos bandas: Máxima receptora: banda 20-30º (absorbe 52% energía incidente). Océanos > desiertos por albedo. (no Ecuador por pérdida radiación atmósfera-vapor de agua-cristal hielo) Mínimo en polo: por gran albedo (ángulo y nieve)

Radiación absorbida por la superficie terrestre: MÁXIMOS

Radiación absorbida por la superficie terrestre: MÁXIMOS Los MÁXIMOS son los océanos intertropicales (grandes reservas de la radiación solar)

Radiación absorbida por la superficie terrestre: MÍNIMOS

Radiación absorbida por la superficie terrestre: MÍNIMOS Los MÍNIMOS se trasladan a los Polos por el gran albedo (BLANCOS)

Clave 1: el calor de las latitudes bajas es atribuible tanto a la alta incidencia de la radiación solar como a la gran absorción de ésta. Ojo: LOS OCÉANOS-TROPICALES COMO GRAN MOTOR ENERGÉTICO Clave 2. la frialdad de los polos obedece más bien al escasa absorción de la radiación incidente (mayor que en latitudes medias) debido al albedo. Ojo: BUCLES POSITIVIOS Y CAMBIO CLIMÁTICO

Balance de onda larga RADIACIÓN SOLAR procede de un astro de altísima temperatura: ONDA CORTA (ultravioleta / visible / infrarrojo próximo) RADIACIÓN TERRESTRE emana de un cuerpo más frío: ONDA LARGA (infrarrojo medio y superior). Nota: cualquier cuerpo > -273ºC (0K) emite radiación

Balance de onda larga Radiación ONDA CORTA incidente en el límite exterior de la Atmósfera: 341,3 W/m 2 [por convención se estimaba 100 unidades de entrada al sistema] Radiación terrestre ONDA LARGA: cuerpo a 14ºC (288K) que emite 396 W/m 2 (por convención 111 unidades de energía)

Balance de onda larga

Balance de onda larga CLAVE: La radiación de onda corta entrante de 341,3 W/m 2 mantendrá un sistema climático que parte de 14ºC de temperatura media El balance global será equilibrado al irradiar la Tierra los 396 W/m 2 (111 unidades convención) al poseer los 14ºC

Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? Desequilibrios internos?

Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? 111 Desequilibrios internos?

Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? Onda larga al exterior desde Tierra 111 15 Desequilibrios internos?

Onda larga desde Tierra a Atmósfera Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? Onda larga al exterior desde Tierra 111 15 Desequilibrios internos?

Onda larga desde Tierra a Atmósfera Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? Onda larga al exterior desde Tierra 111 15 150 Desequilibrios internos?

Onda larga desde Tierra a Atmósfera Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? Onda larga al exterior desde Tierra 111 15 95 150 Onda larga desde Atmósfera a Tierra Desequilibrios internos?

Onda larga desde Tierra a Atmósfera Balance de onda larga Equilibrio con el exterior? Onda larga al exterior desde Tierra 111 15 95 150 55 Onda larga desde Atmósfera a Tierra Desequilibrios internos? Onda larga al exterior desde Atmósfera

111 emitidos por la superficie terrestre (ojo al stock de calor de la Tierra) 28

111 emitidos por la superficie [15 al exterior + 96 absorbidos por Atmósfera] 28

150 emitidos por la Atmósfera [96 proporcionados por la superficie + 54 del stock de calor] 54 28

150 emitidos por la Atmósfera [55 al exterior + 95 devueltos a la Tierra] 28

Balance onda larga: Superficie: -111 + 95 = -16 28-111 + 95 = -16

Balance onda larga: Superficie: -111 + 95 = -16 Atmósfera: -150 +96= -54-150 + 96 = -54 28-111 + 95 = -16

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Partiendo de 111 + 54 (onda larga del sistema Tierra-Atmósfera) AL EXTERIOR: 70 (15+55) EN SISTEMA TIERRA-ATMÓSFERA: 96 (las unidades que devuelve la Atmósfera a la Tierra)

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Partiendo de 111 + 54 (onda larga del sistema Tierra-Atmósfera) AL EXTERIOR: 70 (15+55) EN SISTEMA TIERRA-ATMÓSFERA: 96 (las unidades que devuelve la Atmósfera a la Tierra) Tierra- Atmósfera TIERRA (-16) > ATMÓSFERA (-54) Desequili brios internos?

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Partiendo de 111 + 54 (onda larga del sistema Tierra-Atmósfera) AL EXTERIOR: 70 (15+55) EN SISTEMA TIERRA-ATMÓSFERA: 96 (las unidades que devuelve la Atmósfera a la Tierra) Tierra- Atmósfera TIERRA (-16) > ATMÓSFERA (-54) Desequili brios internos? Latitud Sin relevancia

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Equilibrio global sistema Tierra-Atmósfera con el exterior 100 (entrada) = 30 (onda corta reflejada al exterior) + 15 (onda larga emitida por Tierra) + 55 (onda larga emitida por la Atmósfera)

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Equilibrio global sistema Tierra-Atmósfera con el exterior 100 (entrada) = 30 (onda corta reflejada al exterior) + 15 (onda larga emitida por Tierra) + 55 (onda larga emitida por la Atmósfera) Tierra- Atmósfera Tierra [-16 + 45 = +29 ] > atmósfera [-54 +25 = -29]. Necesidad de compensación térmica Desequili brios internos?

-111 + 95 = -16

-16 + 45 = +29-111 + 95 = -16

-150 + 96 = -54-16 + 45 = +29-111 + 95 = -16

25-150 + 96 = -54-16 + 45 = +29-111 + 95 = -16

25-54 + 25 = -29-150 + 96 = -54-16 + 45 = +29-111 + 95 = -16

-16 + 45 = +29-54 + 25 = -29

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Equilibrio global sistema Tierra-Atmósfera con el exterior 100 (entrada) = 30 (onda corta reflejada al exterior) + 15 (onda larga emitida por Tierra) + 55 (onda larga emitida por la Atmósfera) Tierra- Atmósfera Tierra [-16 + 45 = +29 ] > atmósfera [-54 +25 = -29]. Necesidad de compensación térmica Desequili brios internos?

Radiación absorbida por la superficie terrestre Equilibrio con el exterior? Equilibrio global sistema Tierra-Atmósfera con el exterior 100 (entrada) = 30 (onda corta reflejada al exterior) + 15 (onda larga emitida por Tierra) + 55 (onda larga emitida por la Atmósfera) Tierra- Atmósfera Tierra [-16 + 45 = +29 ] > atmósfera [-54 +25 = -29]. Necesidad de compensación térmica Desequili brios internos? Latitud Bandas intertropicales > áreas polares. Necesidad de compensación térmica

Radiación global MÁXIMA Los océanos intertropicales: gran cantidad de energía onda corta absorbida

Radiación absorbida por la superficie terrestre Radiación global MÍNIMA Polos y latitudes más altas: escasa radiación de onda corta

Radiación absorbida por la superficie terrestre Radiación global MÍNIMA Polos y latitudes más altas: escasa radiación de onda corta + pérdidas por onda larga (interior continentes: Asia/América)

BALANCE RADIACIÓN: CONCLUSIÓN Sistema-balance global radiación: Equilibrio con el exterior. Muy frágil: cualquier desajuste (CO2, descenso albedo en los polos, etc.) genera cambio climático Desequilibrios internos (Superficie terrestreatmósfera / Latitud Estaciones) generan los mecanismos termodinámicos de reajuste: convección, advección circulación atmosférica y oceánica

Invasión de masas de aire Tropical húmeda en lat.medias: B Advección de calor sensible Liberación de calor latente en: A Latitudes medias (desde latitudes intertropicales) Atmósfera (desde superficie oceánica)

HERÁCLITO: Todo fluye

Imágenes de satélite CANAL VISIBLE: NUBES MAS BRILLANTES: nubes espesas, de desarrollo vertical compuestas por gotas de agua. Cumulonimbos, nubes convectivas, estratocúmulos NUBES MENOS BRILLANTES: Nubes tenues, de poco espesor, compuestas de pequeños cristales de hielo. Cirros, cirroestratos, estratos

Imágenes de satélite CANAL INFRARROJO: NUBES MAS BRILLANTES: nubes a mayor altura. Nubes de altura y nubes de desarrollo vertical. Cumulonimbos, nubes convectivas, cirros, altoestratos, altocúmulos NUBES MENOS BRILLANTES: Nubes a menor altura (menos frías). Estratos, nieblas, nimboestratos

Imágenes de satélite