Transferencia de energía(calor) en la atmósfera e hidrosfera

Capas fluidas:  Las capas fluidas comprenden los dos subsistemas del sistema Tierra formados por fluidos:  Atmósfera: formada por aire Hidrosfera: formada por agua.
Ambos subsistemas son los más relevantes en el funcionamiento del sistema climático. El ciclo del agua constituye la interacción más importante entre ambos subsistemas.  La dinámica de las capas fluidas se basa en movimientos generados por gradientes. Gradiente es la diferencia existente entre dos puntos de algún parámetro físico o químico (presión, humedad, temperatura, salinidad, densidad). Cuanto mayor sea el gradiente, mayor será la intensidad del movimiento.  Tipo de movimientos de las masas fluidas: Verticales: relacionados con gradientes de densidad y temperatura. Horizontales: relacionados con gradientes de temperatura.
Atmósfera: La atmósfera es la capa gaseosa que rodea las superficies sólida y líquida de la Tierra hasta una altura indefinida, unida al planeta por atracción gravitatoria.  La atmósfera es una mezcla de gases (aire) y partículas sólidas y líquidas en suspensión (aerosoles). Los aerosoles se encuentran en la troposfera y están formados por partículas de polvo procedentes del suelo, cristales de sal marina, humos y cenizas, microorganismos y agua en estado líquido y sólido (nubes).  Desde el punto de vista cuantitativo, los gases atmosféricos se clasifican en: Mayoritarios: N2 , O2 , Ar, CO2 . Sus concentraciones se expresan en porcentaje. Minoritarios: Reactivos: CO, CH4 , hidrocarburos, NO. Sus concentraciones se expresan en ppm. No reactivos: He, Ne, Kr, Xe, H2. Variables: como el H2O, cuyas concentraciones dependen de la dinámica atmosférica y de los factores locales.


La estructura de la atmósfera:


se basa en su comportamiento térmico y se divide en capas:  Troposfera: de 0 – 12 km de altitud, contiene el 75% de la masa atmosférica y todo el vapor de agua y aerosoles. En ella se producen los fenómenos meteorológicos. La temperatura desciende con la altura a razón de unos 6,5 ºC/km (GVT) hasta la tropopausa, donde se estabiliza.  Estratosfera: de 12 – 50 km de altitud, contiene la mayor parte del ozono atmosférico, lo que provoca un ascenso de temperatura debido a la absorción de la radiación UV. Mesosfera: de 50 – 80 km de altitud, en ella desciende la temperatura hasta un mínimo de -90 ºC en la mesopausa.  Ionosfera: desde 80 km de altitud hasta el límite externo. Formada por dos subcapas: Termosfera: hasta 500 km de altura, comprende las capas de N2 y O de la heterosfera que absorben las radiaciones X y ionizándose e incrementando su temperatura incluso por encima de 1000 K. En esta capa se originan las auroras australes y boreales debido a estas interacciones.  Exosfera: hasta el límite exterior, es muy tenue y está formada por las capas de He e H de la heterosfera.Funciones de la atmósfera: Función protectora: el Sol emite partículas (viento solar) y radiaciones EM. El viento solar es desviado por el campo magnético terrestre (magnetosfera), mientras que la atmósfera absorbe las radiaciones EM de onda corta, nocivas para los seres vivos por su alta energía y poder de penetración.  Termosfera: absorbe las radiaciones X y Estratosfera: el O3 absorbe la radiación UV lejana. Función reguladora: la Tierra emite radiación IR (λ > 4 μm) que es absorbida por los gases de efecto invernadero (sobre todo H2O y CO2 ) en la atmósfera. Esta absorción calienta la troposfera elevando la temperatura en la superficie unos 30 ºC más de la temperatura que tendría la Tierra sin atmósfera, fenómeno conocido como efecto invernadero.


Balance energético:


La energía incidente se distribuye del siguiente modo:  Albedo: energía reflejada hacia el espacio por la atmósfera, las nubes y la superficie terrestre. Supone un 30 %. Su incremento provocaría un enfriamiento del planeta  Energía absorbida por la atmósfera: es un 25 % distribuido entre O3 estratosférico: 3 % H2O y partículas: 17 % Nubes: 5 % Energía absorbida por la superficie terrestre: es un 45% distribuido entre  Superficie continental: 19 % Superficie oceánica: 25,8 % Fotosíntesis: 0,2 % Esta energía absorbida por la superficie terrestre se libera a la atmósfera mediante los siguientes procesos: Emisión de radiación IR: la diferencia entre la radiación ascendente emitida por la superficie (104 %) y la descendente emitida el EI atmosférico (88 %) supone una pérdida neta del 16 %.  Calor latente de evaporación: supone un 24 %, pone en marcha el ciclo del agua y calienta la troposfera al condensarse el vapor de agua en ella. Calor sensible: supone un 5 % por conducción directa a la atmósfera.Gradientes: Gradiente vertical de temperatura (GVT): variación de temperatura del aire registrada entre dos puntos situados en la misma vertical en condiciones estáticas o de reposo. Es variable pero por término medio es de – 0,65 ºC/100 m (negativo porque la temperatura desciende con la altura).  Gradiente adiabático seco (GAS): variación de temperatura del aire con cierto contenido en agua en forma de vapor, registrada entre dos puntos situados en la misma vertical en condiciones dinámicas (desequilibrio térmico o bárico con el medio). Su valor medio es de – 1 ºC/100 m. Gradiente adiabático húmedo (GAH): variación de temperatura del aire con cierto contenido en agua en forma líquida registrada entre dos puntos situados en la misma vertical en condiciones dinámicas. La condensación se produce al alcanzar la masa de aire ascendente el punto de rocío. El valor medio del GAH oscila entre – 0,3 y – 0,6 ºC/100 m por la liberación del calor latente de evaporación.


Dinámica atmosférica (l): La distribución latitudinal de la energía solar, debida a los diversos ángulos de incidencia de la radiación sobre la superficie esférica de la Tierra, y la rotación terrestre generan la circulación global de la atmósfera.  Esta circulación consiste en movimientos verticales y horizontales del aire que se extienden por la troposfera y determinan el clima y el tiempo meteorológico. La insolación (intercepción de la energía solar por la superficie terrestre) depende de dos factores relacionados con la latitud y la inclinación del eje de rotación respecto al plano de la eclíptica:  Tiempo de exposición: número de horas de luz diarias Ángulo de incidencia de la radiación solar: al aumentar el ángulo de incidencia con respecto a la normal, alcanza menos radiación el suelo y se reparte por una superficie mayor. Dinámica atmosférica (II):  la insolación es máxima y apenas sufre variaciones estacionales en la zona intertropical .  La insolación disminuye y aumentan las diferencias estacionales conforme nos alejamos del Ecuador hacia los polos.  En latitudes bajas el balance energético es positivo en latitudes altas ocurre lo contrario. La circulación general del aire en la atmósfera y la circulación oceánica del agua amortiguan estas diferencias.Dinámica atmosférica (lll):Las masas de aire cálido y húmedo (menos densas) se elevan y enfrían a medida que ascienden hasta alcanzar la temperatura del punto de rocío.  La altura a la que se alcanza el punto de rocío se llama nivel de condensación. A esta altura se forman nubes, constituidas por microgotas de agua o microcristales de hielo en suspensión.  Para que se formen nubes han de existir también núcleos de condensación, partículas de polvo, cenizas o sustancias químicas (H2S, NOx , NaCl) sobre las que precipitar.