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Introducción La atmósfera está compuesta de gases cuya composición se mantiene relativamente estable. Sin embargo el calentamiento y la rotación de nuestro planeta contribuyen a la naturaleza dinámica de nuestra atmósfera, y el consiguiente cambio en fuerzas, presión y temperatura creando zonas climáticas, patrones climáticos, y tormentas en nuestro planeta. Las actividades humanas están alterando el balance dinámico en la atmosfera, provocando temperaturas elevadas en la superficie y los patrones de precipitación a cambiantes. La atmosfera es un sistema critico que ayuda a regular el clima terrestre y distribuir el calor alrededor del globo terráqueo. En esta unidad descubriremos los proceso fundamentales que causan la circulación atmosférica y crea zonas climáticas y patrones del tiempo. Aprenderemos como el ciclo del carbono ayuda a regular el clima.
Introducción • Veremos como y porque fluctúa el clima, aprenderemos las características básicas de la atmosfera y algunos conceptos físicos que nos ayudaran a entender el clima. Enfocaremos en tres temas: • Estructura y Composición de la atmosfera y sus funciones principales • Calentamiento de la tierra por efecto de los gases de invernadero • El ciclo del carbono • y estudiaremos la influencia de lo anterior en la distribución de presión y temperaturas sobre la tierra, creando las zonas climáticas, los patrones climáticos, y sobre todo, creando las condiciones adecuadas para la vida.
Introducción La atmosfera es un sistema complejo en el cual las reacciones físicas y químicas ocurren constantemente. El sistema climático terrestre mantiene un balance o equilibrio dinámico entre la energía solar entrante y la energía radiante que abandona la atmosfera. Los niveles de oxigeno en la atmosfera son regulados por un balance dinámico en el ciclo natural del carbono entre los procesos que emiten oxigeno, fotosíntesis y otros que consumen oxigeno como la respiración.
Preguntas principales • ¿Cuáles son las funciones claves de la atmosfera que permiten la existencia de la vida en nuestro planeta? • ¿Cómo la atmosfera forma el clima terrestre y el tiempo climático? • ¿Qué puede causar el equilibrio dinámico en la atmósfera y qué influencia tienen los seres humanos?
Conceptos erróneos acerca de la atmosfera terrestre • Un concepto erróneo es que las plantas generan mayor cantidad del oxígeno de la atmosfera. En realidad, investigaciones indican que cerca del 75% del oxígeno del planeta proviene del océano. • Falsamente se cree que la luz directa del sol calienta la atmosfera. En realidad es un conjunto de las tres fuerzas de transferencia de calor, Radiación, Convección y Conducción. La atmosfera es calentada de la superficie terrestre hacia arriba, aunque la energía proviene desde el sol. • Otro concepto erróneo es que los gases de invernadero constituyen una porción importante de la atmosfera. Los mayores constituyentes de la atmosfera con el nitrógeno y el oxígeno.
La estructura de la atmosfera: Estructura la presión atmosférica disminuye exponencialmente a medida que aumenta la altitud, mientras que la temperatura aumenta con la altitud en algunas capas y disminuciones en otros. Al nivel del mar, la presión atmosférica promedio es de 1013 milibares, correspondiente a una masa de 10000kg (10 Ton) por metro cuadrado o un peso de 100000 Newton/m2 (14,7 pondios por pulgada cuadrada) para una columna de aire desde la superficie hasta el techo de la atmosfera.
Corrientes de aire crecientes • Disminuye alrededor de 6.5°C por cada km de altitud. • Eleva la temperatura de la superficie terrestre por el aumento de la cantidad de calor irradiado desde la atmósfera hacia el suelo En la cima de la troposfera esta la tropopausa, una capa de aire frio (alrededor de -60°C) la cual forma el techo de la troposfera y crea “Trampa fría” que causa que el vapor de agua atmosférico se condense.
Se extiende hacia arriba de la tropopausa a 50 km • Aumentocon la altitud debido a la absorción de la luz solar por el ozono estratosférico • Cerca del 90% de el ozono de la atmosfera se encuentra en la estratosfera. • Contiene solo una pequeña cantidad de el vapor de agua debido a la “Trampa fria” y la tropopausa
Las temperaturas cada vez caen de nuevo con el incremento de la altitud, aproximadamente -93ºC en una altitud de 85 km. Sobre este nivel, en la termósfera, las temperaturas de nuevo se calientan con la altitud, aumentando cada vez mas hasta los 1700ºC.
EL balance irradiado y el efecto invernadero El Sol es mucho más caliente que la Tierra, por lo que emite radiación a longitudes de onda más cortas.
EL balance irradiado y el efecto invernadero Energía recibida del Sol equilibra la energía que la Tierra pierde hacia el espacio, manteniendo una temperatura promedio estable.
Principales gases de invernadero El CO2 es el gas de efecto invernadero antropogénicas más importante, pero también otros gases contribuyen significativamente al cambio climático. Otros contaminantes, como las partículas finas, también afectan la cantidad de radiación solar que se absorbe en la atmósfera terrestre.
Principales gases de invernadero • Algunos entre los que se incluyen vapor de agua, ozono, dióxido de carbono, metano y oxido nitroso, son naturales en la atmosfera. Otros son de síntesis química emitidos como resultado de la actividad humana. • El dióxido de carbono (CO2): El mas significativo de los GHGs afectado directamente por la actividad humana. Es el producto de la oxidación de carbono en materia orgánica, también a través de la combustión de combustibles a base de carbono. • Fuentes naturales: Erupciones volcánicas, respiración de materia orgánica en ecosistemas, incendios naturales, y el intercambio de CO2 con el océano. • Fuentes antropogénicas: Combustión de combustibles fósiles y deforestación y el uso cambiante de la tierra (urbanismo y agricultura) que almacenan materia orgánica. • El metano (CH4): se produce por la descomposición anaeróbica de la materia orgánica en los vertederos, los pantanos y los campos de arroz, la fermentación entérica en los tractos digestivos de animales rumiantes como vacas, cabras y ovejas, la gestión del estiércol, el tratamiento de aguas residuales, la quema de combustibles fósiles, y las fugas de transporte de gas natural y los sistemas de distribución y las minas abandonadas de carbón.
Principales gases de invernadero El óxido nitroso (N2O) se producen por el uso de fertilizantes, la gestión de los residuos animales, la combustión de combustibles fósiles, y las actividades industriales. Los hidrofluorocarbonos (HFC) y los perfluorocarbonos (PFCs) son productos químicos sintéticos que se utilizan en una variedad de procesos de producción industriales tales como la fabricación de semiconductores. Los PFC se produce también como subproducto de la fundición de aluminio. Ambos grupos de productos químicos están encontrando creciente uso como sustitutos de los clorofluorocarbonos que agotan la capa de ozono (CFC), que están siendo eliminadas en virtud del Protocolo de Montreal de 1987 relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono. HFC y PFC sustituyen el CFC en aplicaciones tales como refrigeración y de soplado de espuma para aislamiento.
Volumen de aire De acuerdo con la Ley de gas perfecto, si una porción de aire se mantiene a una presión constante, el aumento de su temperatura causará que se expanda y se hacen menos densos. Temperatura y presión uniforme Cambiar con el tiempo subiendo, bajando, o emitiendo o absorbiendo el calor Cuando la humedad relativa alcanza el 100%, el aire ha alcanzado la presión de saturación y no puede absorber cualquier vapor más de agua. Como el aire se calienta, la cantidad de vapor de agua que puede contener aumenta exponencialmente. Por consiguiente, las concentraciones de vapor de agua atmosférico son las más altas en regiones cálidas y disminuye hacia los polos.
Movimiento vertical en la atmosfera: Significativo vapor de aguaatmosférico, 1988-1999 Debido a que la Tierra es más caliente cerca del ecuador, los niveles de vapor de agua atmosférico son más altas en las regiones tropicales.
1. la adición de vapor de agua al aire reduce su densidad, por lo que la adición de humedad al aire seco puede hacer que se convierta 2. El aire húmedo tiene una energía latente, la posibilidad de condensación de vapor de agua para calentar el aire. El agua líquida absorbe energía cuando se evapora, de modo que cuando este se condensa el vapor de agua, la energía se libera y se calienta el medio ambiente circundante 3. El punto de rocío, otra variable meteorológica clave, se refiere a la temperatura a la cual el aire tendría que enfriarse hasta alcanzar el 100% de humedad relativa. Cuando una masa de aire se enfría hasta su punto de rocío, la condensación de vapor de agua comienza y la formación de gotas de las nubes o cristales de hielo, que en última instancia pueden crecer lo suficientemente grande como para caer en forma de lluvia o nieve
Movimiento vertical en la atmosfera 6 Cuando la inestabilidad condicional existe, las parcelas de aire son estables si están secas e inestable si están saturados. Inestabilidad condicional puede ayudar a generar tormentas provocando que las parcelas de aire húmedo a elevarse y formar nubes altas.
Movimiento vertical en la atmosfera Una porción de aire seco (alguien cuya humedad relativa es inferior al 100%) se enfría en un 9,8 ° C por cada mil metros que se levanta, una disminución constante llamada gradiente adiabático seco. Sin embargo, si el paquete se enfría lo suficiente para que la humedad relativa alcanza el 100%, el agua comienza a condensar y formar gotas de las nubes. Este proceso de condensación libera calor latente en el paquete, por lo que el paquete se enfría a una velocidad inferior cuando se mueve hacia arriba, llamada tasa húmeda adiabática. Las condiciones atmosféricas puede ser estable o inestable, dependiendo de la rapidez con la temperatura del medio ambiente disminuye con la altitud.
Atmosfera inestable Si la temperatura atmosférica disminuye con la altura más rápido que el gradiente seco adiabático (es decir, en más de 9,8 ° C por kilómetro), es inestable. El aumento de las masas de aire estará más caliente y menos denso que el aire circundante, por lo que la flotabilidad y experimentar seguirá aumentando y forman nubes que pueden generar tormentas. Es más probable que produzcan nubes y las tormentas que una atmósfera estable. Atmosfera condicionalmente inestable Si la temperatura disminuye más gradualmente con la altura que el gradiente vertical adiabático seco, pero de forma más pronunciada que el gradiente vertical adiabático húmedo, el ambiente es condicionalmente inestable. En este caso, las masas de aire puede elevarse y formar nubes si contienen suficiente vapor de agua para entrar en calor a medida que expanden (Fig. 6), pero tienen que conseguir un empuje hacia arriba bastante fuertes para iniciar el proceso de condensación (hasta 4000 metros). Atmosfera estable Si la temperatura disminuye con la altitud más lentamente que el gradiente vertical adiabático húmedo, la atmósfera es estable: masas de aire ascendente se enfriará más y más densa que la atmósfera circundante y hundirse de vuelta al punto de partida.
Patrones de circulación atmosférica 7 Las brisas marinas son causadas por las diferencias de temperatura entre la tierra en la superficie y el agua adyacente, lo que causa que el aire fluya en direcciones opuestas durante el día y por la noche.
Patrones de circulación atmosférica La circulación atmosférica se configura cuando se mueve masas en la atmósfera. Este movimiento puede ser vertical, como cuando el aire caliente se eleva y se hace flotante. También puede ser horizontal: se crea el viento por aire que se mueve desde zonas de alta presión, donde el aire está densamente comprimido, para áreas de baja presión, donde el aire es menos denso, aunque los vientos horizontales siguen trayectorias curvas debido a la rotación de la tierra. Fuerzas atmosféricas hacen que el aire se mueve, modificando la diferencia de presión. En un mapa de tiempo, las diferencias de presión están demarcados por líneas paralelas llamadas isobaras que muestran en la presión, generalmente en incrementos de 2 a 4 milibares.
Patrones de circulación atmosférica Las brisas marinas mostrar cómo los movimientos verticales y horizontales se combinan para modificar la temperatura y la presión a un nivel local. Durante el día, las regiones costeras de la tierra se calientan más que el mar porque la tierra se calienta más rápidamente que el agua. El Aire sobre la tierra se calienta y se eleva por lo tanto, aumentando la presión en la atmósfera sobre la superficie, donde se empieza a enfriar y formar nubes. Entonces fluye en la altura de la zona de alta presión sobre la tierra a una menor presión sobre el mar. Debido a que hay menos masa entonces sobre la tierra y más sobre el mar, la presión en la superficie es mayor en el mar, para que el aire fluye desde el mar a la tierra. Por la noche, cuando la tierra se enfría más rápidamente que el océano, el ciclo se invierte (Fig. 7).
Patrones de circulación atmosférica La fuerza de Coriolis es creado por la rotación de la Tierra, que desvía las masas de aire que se desplazan a largas distancias. Es más fuerte cerca de los polos y no existen en el ecuador. El mismo proceso afecta a volumen de aire que se mueve hacia el norte desde el ecuador hacia el polo: su radio de giro alrededor de la Tierra disminuye a medida que se acerca al eje de rotación de la Tierra por lo que su ritmo de espín aumenta. La velocidad angular de la parcela es mayor que la velocidad angular de la superficie de la Tierra en la latitud más alta, por lo que se desvía a la derecha de su trayectoria original con relación a la superficie del planeta. En el hemisferio sur, el volumen parece desviarse a la izquierda.
Patrones de circulación atmosférica La circulación del aire alrededor de las regiones de alta y baja presión en el hemisferio norte. La fuerza de Coriolis hace que los vientos en los sistemas atmosféricos de baja presión, tales como huracanes rotación (en sentido anti horario en el hemisferio norte y en sentido horario en el hemisferio sur), curvándose en espirales. El aire inicialmente comienza a moverse a través de la atmósfera bajo la influencia de los gradientes de presión que empujan desde alta presión a zonas de baja presión. A medida que se desplaza, la fuerza de Coriolis empieza a doblar su curso El aire se mueve hacia regiones de baja presión y lejos de las regiones de alta presión. La fuerza de Coriolis desvía estas masas de aire en direcciones opuestas.
Patrones de circulación atmosférica El flujo geostrófico es más común en la atmósfera superior que en la superficie, donde la fricción entre el aire y la tierra retarda el movimiento de los volúmenes de aire. El movimiento tiende hacia un estado llamado flujo geostrófico, donde la fuerza del gradiente de presión y la fuerza de Coriolis exactamente equilibran entre sí. En este punto, la porción de aire ya no se mueve desde una presión alta a una zona de baja presión. En cambio, sigue un curso paralelo a las isobaras. En la Figura 9, la porción de aire en el flujo geostrófico a punto A3.
Patrones de circulación atmosférica Este patrón se modifica en altitudes inferiores a 1 km. A medida que disminuye la velocidad del viento, también lo hace la fuerza de Coriolis, pero las fuerzas del gradiente de presión se mantienen constantes. Como resultado, los vientos cerca de la tierra son desviados hacia áreas de baja presión. Los volúmenes de aire en espiral hacia áreas de baja presión cerca de la superficie, y luego subir una vez que lleguen al centro. A medida que el aire asciende, se enfría, produciendo condensación, nubes y lluvia.
Patrones de circulación atmosférica Por el contrario , los volúmenes de aire en espiral fuera de las zonas de alta presión cerca de la superficie hacia las zonas de baja presión. Para mantener el equilibrio barométrico, el aire desciende de lo alto. En el proceso, el aire descendente se calentará y su humedad relativa disminuirá, por lo general la producción de clima soleado . Hundimiento del aire cerca de los sistemas de alta presión inhibe la formación de nubes, por lo que los máximos se asocian con tiempo despejado y seco. El aumento de aire cerca de sistemas de baja presión produce nubes y lluvia.
Patrones de circulación atmosférica Cada hemisferio tiene una serie de zonas climáticas distintas con los patrones climáticos característicos.
El ciclo global del carbono Los ciclos de carbono constantemente entre la tierra, los océanos y la atmósfera, aunque su tiempo de residencia en varios depósitos puede variar enormemente. Las flechas negras en esta imagen muestra los flujos naturales y las flechas rojas muestran las contribuciones antropogénicas.
Los niveles de temperatura y humedad son las principales variables que determinan los patrones del clima de la Tierra. Mediante el aumento de las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero a través de actividades como la quema de combustibles fósiles, los seres humanos están cambiando el balance radiativo del planeta. Este proceso está alterando las temperaturas globales y los niveles de humedad, así que podemos esperar que va a cambiar el clima de la Tierra. Los niveles atmosféricos de CO 2, El gas de efecto invernadero antropogénico más importante, están controlados por un equilibrio dinamicoentre procesos biológicos e inorgánicos que forman el ciclo del carbono. Estos procesos operan en escalas de tiempo muy diversas que van desde meses hasta épocas geológicas. En la actualidad, la intervención humana en el ciclo del carbono es preocupante este equilibrio natural. Como resultado, las concentraciones atmosféricas de CO2 están aumentando rápidamente y ya son significativamente más altas que las que tienen niveles existido durante al menos los últimos 650.000 años.
En las últimas décadas, sólo la mitad de las emisiones de CO 2 a la atmósfera por las actividades humanas ha permanecido en la atmósfera. El resto ha sido tomada y almacenada en los océanos y en los ecosistemas terrestres. Los procesos básicos mediante los cuales los sumideros terrestres y oceánicos (almacenamiento de embalses) ocupan carbono son bien conocidos, pero hay muchas preguntas acerca de cuántos de estos sumideros antropogénicas de carbono pueden absorber, y la sensibilidad de estos sumideros son diversos cambios en el medio ambiente. Los científicos están trabajando para entender el funcionamiento de los sumideros naturales de carbono con mayor precisión (Fig. 16). "Utilizamos la atmósfera como un diagnóstico para tener una idea de estos procesos para cuantificar dónde se producen y cuánto tiempo están. Si podemos tener una comprensión de lo que la Tierra misma está haciendo con estos exceso de gases, podemos hacer un mejor pronóstico de lo que el clima futuro cambio podría ser. " Dr. PieterTans
El ciclo global del carbono El bicarbonato actual es la forma más abundante de CO2. Las tres formas son importantes para los procesos biológicos llevados a cabo por los organismos marinos. Las flechas verdes en este diagrama muestra el rango de pH (7,5 a 8,5) que es probable que se encuentre en los océanos, ahora y en el futuro.
Retroalimentación en la atmosfera Los cirros permiten que la mayor parte de la luz solar que les llega pase hacia la superficie de la Tierra, mientras gruesas nubes de cúmulo reflejan gran parte de la luz solar que incide sobre ellos hacia el espacio. Ambos tipos de bloquean parte de la radiación de calor de la Tierra, calentando la superficie del planeta.
