Introducción a las Ciencias de la

Atmósfera y los Océanos

Calentando la Tierra y la

Atmósfera

M. Elizabeth Castañeda 2011

�� EnergEnergíía es la habilidad para realizar a es la habilidad para realizar

trabajo (empujar, tirar, levantar) sobre trabajo (empujar, tirar, levantar) sobre

alguna forma de materia.alguna forma de materia.

�� La La energenergíía potenciala potencial es el potencial de es el potencial de

realizar trabajo (masa x gravedad x altura) realizar trabajo (masa x gravedad x altura)

�� La La energenergíía cina cinééticatica es la energes la energíía de un a de un

objeto en movimiento (la mitad de la masa objeto en movimiento (la mitad de la masa

x velocidad al cuadrado)x velocidad al cuadrado)

�� EnergEnergíía cala calóóricarica: forma de energforma de energíía que se a que se

transfiere entre las parttransfiere entre las partíículas en una culas en una

sustancia (o sistema) por medio de la sustancia (o sistema) por medio de la

energenergíía cina cinéética de las parttica de las partíículas. En otras culas. En otras

palabras, segpalabras, segúún la teorn la teoríía cina cinéética, el calor tica, el calor

es transferido por las partes transferido por las partíículas chocando culas chocando

unas entre otras.unas entre otras.

�� EnergEnergíía radiantea radiante..

La energía no puede ser creada ni destruida.

Ley de Conservación de Energía, o Primera Ley de la Termodinámica.

Temperatura y Calor Transferido

Medida de la energía cinética media

de los átomos y las moléculas.

Medida de la velocidad media de los átomos y las moléculas,

donde las mas altas temperaturas corresponden a

velocidades medias mayores.

Temperatura y Calor Transferido

Aire frío Aire caliente

Temperatura y Calor Transferido

� La atmósfera contiene energía interna, que es la energía total almacenada en sus moléculas.

+ =

Temperatura y Calor Transferido

� La atmósfera contiene energía interna, que es la energía total almacenada en sus moléculas.

� El calor es la energía en el proceso de su transferencia de un objeto a otro, o de una parte de un objeto a otra, debido a una diferencia de temperatura.

� Después de ser transferido, el calor se almacena como energía interna.

Escalas de Temperatura

Anders Celsius (1701 - 1744)

Daniel Fahrenheit (1686 - 1736)

Lord Kelvin (1824-1907)

Las relaciones entre las escalas son:

°F = (1.8 x °C) + 32 °C = (°F – 32) / 1.8

°C = K – 273 K = °+ 273

Calor Específico

La capacidad calorífica de una sustancia es el cociente

entre la cantidad de energía calórica absorbida por la

sustancia y su correspondiente aumento de temperatura.

Calor especifico: capacidad calorífica de una sustancia

por unidad de masa.

Calor específico es la cantidad de calor necesaria

para elevar la temperatura de 1 gramo de

sustancia en 1 grado Celsius.

Caloría es la cantidad de calor requerida para elevar la

temperatura de 1 g de agua desde 14.51°C a 15.51°C.

7940.19Granito

7950.19Arena

10050.24Aire seco (a nivel del

mar)

13810.33Arcilla

20930.50Hielo (°C)

25120.60Barro

41861.00Agua (pura)

J (KG x °C)Calor especifico

(Cal/g x °C)

Sustancia

Calor Latente

Cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo al cambiar de estado.

Durante el cambio de estado no se modifica la temperatura del cuerpo.

Calor Sensible

Cantidad de calor que cede o

absorbe un cuerpo sin cambiar de

estado. Puede ser detectado a

través del cambio de temperatura

del cuerpo.

Calor sensible

Calor sensible

Calor sensible

Calor necesario para la

evaporación (líquido � gas)

Calor latente de evaporaciCalor latente de evaporacióónn

Calor necesario para la fusión (sólido � líquido)

Calor latente de fusiCalor latente de fusióónn

La transferencia de calor puede realizarse a La transferencia de calor puede realizarse a

travtravéés de tres mecanismos fs de tres mecanismos fíísicos:sicos:

•• ConducciConduccióónn

•• ConvecciConveccióónn

•• RadiaciRadiacióónn

Es la transferencia de calor de una molEs la transferencia de calor de una moléécula a cula a

otra en una sustanciaotra en una sustancia

ConducciConduccióón: n:

-- La energLa energíía viaja de lo caliente a lo fra viaja de lo caliente a lo fríío.o.

-- El aire es un mal conductor, el metal es un buen El aire es un mal conductor, el metal es un buen

conductor.conductor.

ConducciConduccióón: n:

La capacidad de conducciLa capacidad de conduccióón del calor es diferente para los n del calor es diferente para los distintos y depende de las caracterdistintos y depende de las caracteríísticas moleculares de sticas moleculares de cada uno.cada uno.

aire 0.023

madera 0.08

suelo seco 0.25

agua 0.60 (20°C)

nieve 0.63

suelo húmedo 2.1

hielo 2.1

granito 2.7

hierro 80

plata 427

material Conductividad

(Watt m-1 °C-1)

La conducción de calor es importante

sólo entre la superficie terrestre y el

aire en contacto inmediato con la

superficie.

Por lo tanto, el aire es un Por lo tanto, el aire es un mal conductormal conductor del calor.del calor.

ConvecciConveccióón: n:

Es la transferencia de calor por el

movimiento de masa de un fluido

(como el agua y el aire).

Este tipo de transferencia de calor tiene lugar en

líquidos y gases, ya que pueden moverse

libremente y es posible la creación de corrientes

dentro de ellos.

Térmicas

Circulación convectiva

En nuestra atmósfera, el aire que asciende se

expande y se enfría, y el aire que desciende se

comprime y se calienta.

Radiación

• La energía del sol se desplaza por el espacio y la

atmósfera en forma de una onda (ondas

electromagnéticas) y se llama radiación.

Debido a que estas ondas tienen propiedades magnéticas y

eléctricas, se llaman ondas electromagnéticas.

• En vacío, estas ondas viajan a una velocidad de

300.000 km/s (velocidad de la luz).

En física, una onda es una propagación de una perturbación de

alguna propiedad de un medio

•Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta

y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas

cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el

paso del tiempo.

•Período: El periodo es el tiempo que tarda la onda de ir de

un punto de máxima amplitud al siguiente.

•Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha

vibración en otras palabras es una simple repetición de

valores por un período determinado.

•Longitud de onda: Distancia que hay entre dos crestas

consecutivas.

onda

distancia

A

λ : longitud de onda

A: amplitud

frecuencia

1Periodo =

Frecuencia angular

f 2 ω T

ππ

2==

f(x,t) = Asin(ωt − kx))Número de onda

2

k λ

π=

f k

ω c

fk ω

λ

λ

==

=

frecuencia (f) = nfrecuencia (f) = núúmero de crestas que pasan mero de crestas que pasan

por un punto dado en 1 por un punto dado en 1 segseg

cuanto mayor es la longitud de onda

menor es su frecuencia

c = λ f

Todas las cosas, sin

importar cuán grandes o

pequeñas sean, emiten

radiación. El aire, nuestro

cuerpo, flores, árboles, la

Tierra, las estrellas, etc. La

energía se origina de la

rápida vibración de los

billones de electrones que

componen cualquier

objeto.

� Ley de Stefan-Boltzmann

� Describe la energía total emitida por un cuerpo,

directamente proporcional a la potencia cuarta de la

temperatura.

Josef Stefan (1835 - 1893)

Ludwig Boltzmann(1844 - 1906)

II = = σσ TT44

��Unidades: Unidades: Densidad de flujoDensidad de flujo en W/men W/m22, T en Kelvin, T en Kelvin

��constante de constante de StefanStefan--BoltzmanBoltzman ((σσ) = 5.67 x 10) = 5.67 x 10--8 8 WmWm--22 KK--44

El sol irradia mas energía que la Tierra (el área bajo la curva).

Además, irradia la mayor parte de su energía en longitudes de

onda mucho más cortas.

� Ley de Wien

• Describe la longitud de onda de máximo de

energía emitida.

Wilhelm Carl Werner Otto

Fritz Franz Wien (1864 - 1928)

λλmaxmax = = ββ/ T/ T

ββ = 2897.7= 2897.7 µµmm KK, ,

T en KelvinT en Kelvin

Aunque el Sol irradia a una tasa máxima en una longitud de onda particular, sin

embargo emite algo de radiación en casi todas las otras longitudes de onda . Si

vemos la cantidad de radiación emitida por el sol en cada longitud de onda,

obtenemos el espectro electromagnespectro electromagnéético del Soltico del Sol.

Alrededor del 44% de la energAlrededor del 44% de la energíía del Sol es emitida en a del Sol es emitida en

longitudes de onda en la regilongitudes de onda en la regióónn vviissiibbllee. M. Mááximo en ximo en

azulazul--verdeverde..

La longitud de onda mLa longitud de onda máás corta dentro del visible s corta dentro del visible

corresponde al color corresponde al color violetavioleta (0.4(0.4 mm).mm).

Longitudes de onda mLongitudes de onda máás cortas que el s cortas que el violetavioleta son las son las

longitudes de ondas longitudes de ondas ultravioletasultravioletas..

La longitud de onda mLa longitud de onda máás larga dentro del visible s larga dentro del visible

corresponde al color corresponde al color rojorojo..

Longitudes de onda mLongitudes de onda máás largas que el s largas que el rojorojo son las son las

longitudes de ondas longitudes de ondas infrarrojasinfrarrojas (IR).(IR).

La radiación solar que llega a la

atmósfera puede ser dispersada,

reflejada o

absorbida por sus componentes.

CUERPO NEGROCUERPO NEGRO

Es un cuerpo que emite (o absorbe) radiación

electromagnética con un 100% de eficiencia en

todas las longitudes de onda.

La superficie terrestre y el Sol absorben y emiten

radiación con una eficiencia cercana al 100% y pueden

ser considerados cuerpos negros.

La radiación emitida por un cuerpo negro se

denomina radiaciradiacióón de cuerpo negron de cuerpo negro..

FLUJOFLUJO

Es la cantidad de energía o material que atraviesa

un área determinada en forma perpendicular en

una unidad de tiempo. Depende de la distancia a la

fuente de energía.

minmin

][

1855.41

1

1

222

2

2

2

2

ly

cm

cal

ms

J

m

W

area

energiadeFlujoIntensidadoFlujodeDensidad

Wattseg

JouleFlujo

tiempo

energiaenergiadeFlujo

Joulescaloria

s

mkgm

s

mkg

Joule

s

mkgFuerzaNewton

=×

≈×

=≈

≈=

==

=

=

=××≈××=

=×=

×≈×==

distancianaceleraciomasa

distanciaFuerza

naceleraciomasa

Ley del cuadrado inversoLey del cuadrado inverso

La cantidad de radiación que

pasa a través de un área

específica es inversamente

proporcional al cuadrado de

la distancia de esa zona de la

fuente de energía. Este

fenómeno se llama la Ley del

inverso del cuadrado. Con

esta ley podemos modelar el

efecto que tiene la distancia

recorrida en la intensidad de

la radiación emitida por un

cuerpo como el sol.

Ley del cuadrado inversoLey del cuadrado inverso

S = So (ro / r)2

Absorbentes selectivos

Los buenos absorbentes son buenos emisores en una Los buenos absorbentes son buenos emisores en una

longitud de onda particular, y los pobres absorbentes son longitud de onda particular, y los pobres absorbentes son

pobres emisores en la misma longitud de onda. pobres emisores en la misma longitud de onda.

Estrictamente hablando, esta ley sEstrictamente hablando, esta ley sóólo se aplica a los gaseslo se aplica a los gases.

Ley de Kirchhoff

SSóólo el 19% de la lo el 19% de la

radiaciradiacióón solar n solar

entrante es absorbida entrante es absorbida

por los gases en la por los gases en la

atmatmóósfera.sfera.

Por lo tanto, la Por lo tanto, la

atmatmóósfera es bastante sfera es bastante

transparente a la transparente a la

radiaciradiacióón solar n solar

entrante.entrante.

El efecto invernadero atmosférico se debe a que el vapor de agua, CO2 y otros

gases son absorbentes selectivos. Ellos permiten que la mayor parte de la

radiación solar llegue a la superficie, pero absorben una buena parte de la

radiación infrarroja saliente de la tierra, evitando que escape al espacio. Es el

efecto invernadero atmosfefecto invernadero atmosfééricorico, entonces, el que mantiene la temperatura de

nuestro planeta en un nivel donde la vida puede sobrevivir.

Constante solar

Constante solar

Punto de entrada en la atmósfera:

intensidad ≈ 1350 W/m2

Los gases atmosféricos dispersan más efectivamente las

longitudes de onda más cortas (violeta, azul y verde)

que las más largas (amarillo, naranja y rojo ).

El cielo se ve mayormente azul.

Es el mecanismo de dispersión dominante en la alta

atmósfera.

Por qué se ve el cielo azul y no

violeta o verde?

la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano

(que en definitiva es el que capta las imágenes -aunque el cerebro

las interprete-), es más sensible a la luz azul que a la violeta.

� La fracción de la radiación reflejada por la superficie terrestre se denominaalbedo.

� Depende por ejemplo, de la naturaleza de la superficie y la inclinación de los rayos solares.

Albedo típico de diferentes superficies

SUPERFICIE ALBEDO

(PORCENTAJE)

nieve fresca 75-95

nubes (espesas) 60-90

nubes (delgadas) 30-50

Venus 78

hielo 30-40

arena 15-45

Tierra y atmósfera 30

Marte 17

campos de hierba natural 10-30

campo arado, seco 5-20

agua 10 (promedio diario)

bosque 3-10

Luna 7

Distribución global del albedo

sobre áreas continentales

Balance de energía terrestre anual

19 unidades son absorbidas por las nubes y gases

atmosféricos

• la dispersión de la atmósfera (6)

• la reflexión de las nubes (20)

• el suelo (4)

30 unidades son devueltas al espacio a causa de:

Considerando que al tope de la atmConsiderando que al tope de la atmóósfera llegan sfera llegan 100

unidades de radiaciunidades de radiacióón solar:n solar:

51 unidades de radiación llegan a la superficie terrestre

26 son dispersadas por la atmósfera como radiación difusa hacia

la superficie terrestre

25 de estas unidades llegan directamente a la superficie

terrestre

Balance de energBalance de energíía a

atmatmóósferasfera-- tierra tierra

Distribución latitudinal del

balance de energía

Cómo se transfiere el calor?

Corrientes oceánicas

Circulación atmosférica