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La Atmósfera Terrestre




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(Gp:) Núcleo interno (Gp:) Sólido, radio ? 1200 km (Gp:) Núcleo externo (Gp:) Líquido, radio ? 3470 km (Gp:) Manto (Gp:) Radio ? 3470 km (Gp:) Corteza (Gp:) Espesor ? 8 - 70 km Teoría de acreción de planetesimales Diferenciación de la estructura en función de la densidad FORMACIÓN DE LA TIERRA
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Formada originalmente por los gases emitidos por componentes volátiles internos y erupciones volcánicas. El Oxígeno se formó por mecanismos biológicos. Los gases fueron retenidos por la fuerza de gravedad. FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA En las erupciones volcánicas actuales se observa que los volátiles más comunes son H2O (85%), CO2 (10%) y SO2 y compuestos de nitrógeno (resto). Baja proporción actual de H2O en la atmósfera Baja proporción actual de CO2 en la atmósfera Predominio del nitrógeno Presencia de otros componentes (pequeña concentración) Presencia de una importante fracción de O2 La atmósfera actual http://www.xtec.es/~rmolins1/solar/es/planeta02.htm
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ATMÓSFERA ESTÁNDAR La temperatura del aire a 0 metros (nivel del mar) es de 15 ºC (288.15 K) La presión atmosférica a 0 metros es de 1013.25 hPa El aire es seco y se comporta como un gas perfecto La aceleración de la gravedad es constante e igual a 980.665 cm/s2 Desde el nivel del mar hasta los 11 km la temperatura decrece con la altura a razón de 6.5 ºC/km: T = 288.15 K -( 6.5 K/km)· H (H: altura en km) En este nivel la presión se estima mediante P = 1013.25 hPa ·(288.15 K/T)^-5.256 Desde los 11 a los 20 km la temperatura se mantiene constante e igual a 216.65 K En este nivel la presión se calcula como P = 226.32 hPa · exp(-0,1577·(H-11km)) Desde los 20 a los 32 km la temperatura aumenta: T = 216.65 K + (H-20 km) (H: altura en km) En este nivel la presión se calcula: P = 54.75 hPa · (216.65K/T)^34.16319
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ATMÓSFERA ESTÁNDAR (2) Desde los 32 a los 47 km la temperatura aumenta según la relación T = 228.65 K + (2.8 K/km)·(H-32 km) (H: altura en km) En este nivel la presión se calcula mediante P = 8.68 hPa · (228.65 K/T)^12.2011 Desde los 47 a los 51 km la temperatura se mantiene constante e igual a 270.65 K En este nivel la presión se calcula mediante P = 1.109 hPa · exp(-0,1262·(H-47km)) Resto de niveles superiores puede verse en las siguientes referencias: A. Naya (Meteorología Superior en Espasa-Calpe); y, R.B.Stull (Meteorology for Scientists and Engineers)). Calculadora de atmósfera estándar Fuente: J. Almorox, http://www.eda.etsia.upm.es/climatologia/Presion/atmosferaestandar.htm (hasta 86 km): http://www.digitaldutch.com/atmoscalc/
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(Gp:) Capa homogénea (Gp:) Altura (km) (Gp:) 500/1500 Temperatura (ºC) (Gp:) -50 (Gp:) 0 (Gp:) 50 (Gp:) 100 (Gp:) 150 (Gp:) 200 (Gp:) -100 (Gp:) 10 (Gp:) 20 (Gp:) 30 (Gp:) 40 (Gp:) 50 (Gp:) 60 (Gp:) 70 (Gp:) 80 (Gp:) 90 (Gp:) 100 (Gp:) 110 (Gp:) 120 (Gp:) 130 (Gp:) 140 (Gp:) 150 (Gp:) 160 (Gp:) 490 (Gp:) 500 (Gp:) 510 (Gp:) 520 Exosfera Termosfera Mesosfera Estratosfera Troposfera ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE TEMPERATURAS TROPOPAUSA ESTRATOPAUSA MESOPAUSA TERMOPAUSA (Gp:) TERMOPAUSA La temperatura en la termosfera depende mucho de la actividad solar y puede variar entre 500 ºC y 1500 ºC.
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Troposfera Estratosfera (Gp:) Muy seca, incremento concentración O3 (Gp:) Largos tiempos de permanencia de partículas (Gp:) Mezcla vertical muy reducida Mesosfera LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA. TROPOSFERA (Gp:) dT/dz ? -7 K·km-1 (Gp:) 80% masa, ?100% vapor de agua (Gp:) Suceden todos los fenómenos meteorológicos: circulación general atmosférica, nubes, borrascas, ciclones (Gp:) 99.9% masa (Gp:) 99% resto (Gp:) 1% resto (Gp:) Termosfera (Gp:) Partículas cargadas (ionosfera) (Gp:) Partículas cargadas y no cargadas Colisiones muy poco frecuentes (Gp:) TROPOPAUSA (Gp:) ESTRATOPAUSA (Gp:) MESOPAUSA (Gp:) ? 10 - 12 km (Gp:) ? 50 km (Gp:) ? 80 km
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CAPA LIMITE PLANETARIA. LA CAPA DONDE INTERACTUAN LOS SERES VIVOS (Gp:) Troposfera (Gp:) PBL (Planetary Boundary Layer, PBL, o Atmospheric Boundary Layer, ABL) La capa límite planetaria es la capa de la atmósfera (300 -3000 m de espesor) que interactúa con la superficie terrestre, y que es influenciada por los intercambios de energía y materia con dicha superficie (Gp:) Los intercambios de energía y materia están relacionados con las turbulencias (Gp:) ? (Gp:) Es una capa de mezcla (Gp:) ? (Gp:) Dilución de contaminantes (Gp:) ?
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CONCEPTO DE CAPA LÍMITE (Gp:) 1 (Gp:) 10 (Gp:) 100 (Gp:) 1000 (Gp:) 10000 (Gp:) Altura (orden de magnitud, m) (Gp:) CAPA RUGOSA (Gp:) CAPA SUPERFICIAL (Gp:) CAPA EXTERNA TROPOPAUSA (Gp:) CAPA LÍMITE (Gp:) TROPOSFERA (Gp:) RUGOSIDADES SUPERFICIALES (Gp:) Turbulencia: vórtices y remolinos asociados a diversas causas (Gp:) BASE DE LAS NUBES La capa límite es la parte de la troposfera influida directamente por la superficie de la Tierra, y que responde a las fuerzas superficiales en una escala temporal de alrededor de una hora o menos. Las fuerzas asociadas a la superficie de la Tierra incluyen fricción de arrastre, transferencia de calor, evaporación y transpiración, emisión de contaminantes y características del terreno que modifican el flujo.
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Gráfica elaborada con datos de condiciones medias anuales en http://www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html ALTURA DE LA TROPOPAUSA Troposfera Estratosfera * Latitud En el ecuador se encuentra más elevada que en los polos * Estación del año Factores que influyen en altura de tropopausa * Temperatura de la troposfera En condiciones ambientales de bajas temperaturas, la tropopausa desciende debido a que en estos casos la convección es menor.
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(Gp:) 20 (Gp:) 40 (Gp:) 60 (Gp:) 80 (Gp:) 100 (Gp:) 120 (Gp:) 140 (Gp:) 160 (Gp:) 10-8 (Gp:) 10-7 (Gp:) 10-6 (Gp:) 10-5 (Gp:) 10-4 (Gp:) 10-3 (Gp:) 10-2 (Gp:) 10-1 (Gp:) 102 (Gp:) 103 (Gp:) 10 (Gp:) 1 (Gp:) Presión (mb) (Gp:) Densidad (g/m3) (Gp:) Recorrido libre medio (m) (Gp:) Altura (km) ATMÓSFERA ESTÁNDAR. PERFIL DE PRESIONES (Gp:) Distancia promedio recorrida por una molécula antes de sufrir una colisión con otra. (Gp:) Agua líquida condiciones ambientales 106 g/m3
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COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA ALTURA 1. Difusión debida a movimientos moleculares aleatorios Tiende a producir una atmósfera en la que el peso molecular medio de la mezcla de gases decrece con la altura, de forma que en los niveles superiores abundan los gases más ligeros: cada gas constituyente se comporta como si sólo él estuviese presente, y la densidad de cada gas decae exponencialmente con la altura, pero la altura de referencia H es distinta para cada gas, pues la densidad de los gases ligeros decae más lentamente que la de los gases de mayor masa molecular (M). (Gp:) Altura (Gp:) Mayor M, mayor B (Gp:) Menor M, menor B
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(Gp:) 20 (Gp:) 40 (Gp:) 60 (Gp:) 80 (Gp:) 100 (Gp:) 120 (Gp:) 140 (Gp:) 160 (Gp:) 10-8 (Gp:) 10-7 (Gp:) 10-6 (Gp:) 10-5 (Gp:) 10-4 (Gp:) 10-3 (Gp:) 10-2 (Gp:) 10-1 (Gp:) 102 (Gp:) 103 (Gp:) 10 (Gp:) 1 (Gp:) m (Gp:) km (Gp:) Recorrido libre medio vs altura (Gp:) Capa homogénea COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA EN FUNCION DE LA ALTURA (2) 2. Mezcla por movimientos convectivos La convección tiende a homogeneizar la composición de la atmósfera. A niveles bajos el recorrido libre medio es tan pequeño que el tiempo necesario para separar componentes es mucho mayor que el que requieren las turbulencias para formar una mezcla homogénea. Por tanto a niveles bajos la atmósfera es un sistema cuyos componentes se encuentran muy bien mezclados. A partir de esta altura la mezcla por convección ya no es tan eficiente y se aprecian diferencias de composición en función de la altura. Límite: aproximadamente a 100 km
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(Gp:) Velocidad más probable: Velocidad de escape: aquella velocidad para la cual la energía cinética de una partícula es suficiente para escapar al infinito desde el campo gravitatorio terrestre ( a una altura de 0 km, la velocidad de escape es alrededor de 11 km?s-1) (Gp:) Velocidad más probable Hidrógeno ? 3 km?s-1 (Gp:) Oxígeno ? 0.8 km?s-1 (Gp:) Fracción de moléculas con velocidad igual a la de escape (Gp:) ? 10 -6 (Gp:) ? 10 -84 ESCAPE DE GASES DE LA ATMÓSFERA (Gp:) La temperatura a 500 km es de 600 ºC velocidad más probable ? 3 km?s-1 Escape de gases ligeros a lo largo de las eras geológicas
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(Gp:) Componentes mayoritarios aire seco COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA Vapor de agua (altamente variable): Hasta 4% (volumen) (Gp:) Componentes mayoritarios aire seco (% masa) COMPOSICIÓN POR DEBAJO DE 100 km (porcentajes)
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(partes por millón en moléculas) Ozono: 0-12 ppm Componentes minoritarios COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA (2)
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FORMACIÓN DE LA ATMÓSFERA: H2O (Gp:) Baja proporción actual de H2O en la atmósfera (Gp:) T (Gp:) P (Gp:) P3 (Gp:) T3 T3= 0.01 C = 273.16 K (Gp:) TC (Gp:) PC (Gp:) 1 atm (Gp:) 100 C P3= 0.006112 bar TC = 374.15 C = 647.30 K PC = 221.20 bar Los ejes NO están a escala (Gp:) 10 (Gp:) 20 (Gp:) 30 (Gp:) º C (Gp:) 10 (Gp:) 20 (Gp:) 30 (Gp:) 40 (Gp:) mb (Gp:) Condiciones ambientales (Gp:) ? 23 mb