Oceanografía General/Física Práctica 8 Balance de calor – Balance

Oceanografía General/Física Práctica 8 Balance de calor – Balance

Primer Cuatrimestre 2010
Oceanografía General/Física
Práctica 8
Balance de calor – Balance Hídrico
1. La Figura 1 muestra el coeficiente de atenuación kλ en función de la longitud de
onda λ, en aguas claras y turbias del océano.
a) ¿Cuáles son los rangos de los valores de kλ que se observan en aguas costeras
turbias y en aguas claras del océano abierto?
b) ¿En qué rangos de λ penetrará más la luz en cada caso? Justifique. ¿A qué colores
del espectro visible corresponden esas longitudes de onda?
c) En aguas claras, ¿a qué profundidad la irradiancia correspondiente a las
longitudes de onda de 0.3, 0.5 y 0.7 μm se reduce al 50% de su valor en superficie?
¿Y al 1%?
2. Suponga que el fitoplancton requiere 500 μW/cm2 para crecer, y que el coeficiente
de atenuación es de 0.15 m-1 para aguas costeras no muy turbias y 0.03 m-1 para
aguas oceánicas claras. ¿A qué profundidad cesaría el crecimiento del fitoplancton
en ambos casos si la irradiancia superficial fuera de 103 μW/cm2?
3. La Figura 2.a muestra la distribución del promedio anual del flujo neto de energía
sobre la superficie del océano, Qnet.
a) Indique zonas de máxima ganancia neta de calor y zonas de máxima pérdida neta de
calor.
b) La Figura 2.b muestra la distribución de temperatura media del océano en
superficie. Compare las Figuras 2.a y 2.b. ¿A qué pueden deberse las diferencias
que observa? Justifique.
4. Las componentes involucradas en el balance neto de calor son:
• Radiación solar incidente (Qs)
• Balance de radiación de onda larga (Qr o Qb)
• Flujo de calor sensible (Qc o Qh)
• Flujo de calor latente (Qe)
Evalúe la contribución de estas componentes en el balance neto (Qnet) a partir de la
Figura 2.a, y averiguando qué porcentaje representa cada una de ellas, en promedio,
respecto del balance neto. ¿Cuáles son las componentes más importantes?
5. a) Utilizando la figura del balance hídrico (Figura 3), determine un valor aproximado
del calor liberado por el océano debido a la evaporación diaria (le = 2.25 x 106 J/Kg.).
b) Sabiendo que la superficie terrestre recibe alrededor de 9x1021 J del Sol por día (el
70% de la insolación), ¿es correcto decir que la evaporación de los océanos es una
componente significativa en el balance de calor de la Tierra? ¿Por qué?
c) ¿Bajo qué condiciones esperaría que el agua del océano pueda ganar calor por
condensación? Justifique.
d) ¿Cuál es la tasa anual de evaporación de los océanos? ¿Se encuentra en balance con
la precipitación más el escurrimiento del suelo? ¿Por qué?
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6. A partir de la Figura 4, que muestra el campo de temperaturas promedio en el Pacífico
Tropical Sur-oriental para los meses de febrero y agosto, y teniendo en cuenta las
consideraciones generales detalladas más adelante, conteste el cuestionario que sigue a
continuación.
Nota: considere un volumen de control de 50 m de profundidad y área
unitaria en la región indicada por el cuadrado frente a la costa de Perú. Las
flechas indican la probable dirección de la corriente en esa región.
Se considera positivo (negativo) todo el calor que entra (sale) en el volumen de
control.
a) ¿De cuánto es el cambio de temperatura aproximado que se observa en la región
marcada con un cuadrado entre los meses de febrero-agosto?
b) Asumiendo que el cambio en la temperatura está distribuido uniformemente en los
primeros 50 m de profundidad, calcule el almacenamiento de calor QT en ly/día de
agosto a febrero y de febrero a agosto.
c) Estime el gradiente de temperatura en la región en la dirección de la corriente, para
cada mes (agosto y febrero, en °C/1000 km) asumiendo que la diagonal del cuadrado
de la figura es de aproximadamente 1000 km. Calcule el promedio entre agosto y
febrero.
d) Asuma que el promedio de la corriente en la región es de 20 cm/seg. Calcule el
promedio de calor advectado, Qa (en ly/día). Mirando el sentido en que se advecta la
temperatura, ¿qué signo tiene Qa?
e) En base a lo calculado hasta ahora y asumiendo que: Qs = 430 ly/día; Qr = 130
ly/día; R = 0,3; son valores promedio para agosto - febrero; y teniendo en cuenta la
ecuación de balance de calor, ¿cuál es el promedio de evaporación para la región?
Expresarlo en cm/día.
f) ¿Cómo interpretaría físicamente el hecho de que Qe resultara negativo? Justifique.
7. Examine el mapa de salinidad de la Figura 5.a y las curvas del balance evaporaciónprecipitación y de salinidad de la Figura 5.b y explique, justificando, la posición de los
máximos y los mínimos en las figuras.
Analice el mínimo de salinidad que se observa en latitudes ecuatoriales. ¿Por qué
ocurre este mínimo? Justifique su respuesta.
Nota: 1 langley = 1 ly = 1 cal · cm-2
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Consideraciones generales
Para realizar este ejercicio utilice la siguiente ecuación de balance de calor:
QT = Qs + Qr + Qe + Qc + Qa
Donde:
* QT: es la variación de calor contenido en un volumen unitario en la unidad de tiempo.
QT =
ρC pΔT * Δz
ΔH
=
Δt
Δt
ρ = 1 gr/cm3
Cp = 1 cal/gr °C
ΔH = calor ganado / perdido
Δz = altura del volumen de control de área unitaria
Δt = lapso de tiempo considerado
ΔT = cambio en la temperatura
1 ly = 1 cal/cm2
* Qs: es el cambio de calor debido a la radiación solar directa y difusa. Es proporcional a la
cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo que irradia (el sol).
Ley de Stefan Boltzman: Qs = k * T4 (en K)
* Qr: es el cambio de calor que sufre el océano luego de irradiar energía al espacio o a la
atmósfera. Es proporcional a la temperatura absoluta del aire en superficie (ley de StefanBoltzman).
* Qe: es el cambio de calor debido a la transferencia de calor latente a la atmósfera por
evaporación.
Qe = L * E
L = 600 cal/gr (calor latente de evaporación)
E = agua evaporada, en gramos (numéricamente igual al número de cm verticales
evaporados por cm2 de superficie).
* Qc: es el calor sensible intercambiado entre el océano y la atmósfera por conducción
Qc = R * Qe
R es el coeficiente de Bowen
* Qa: cambio de calor debido a advecciones horizontales de agua de distinta temperatura a
la del volumen de control.
Q a = ρ C pV Δ z
ΔT
ΔN
V = velocidad perpendicular a las isotermas
ΔT = diferencia de temperatura entre las isotermas
ΔN = distancia en la que se registra esa diferencia de temperatura.
(ΔT)/ Δn = gradiente de temperatura.
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Figura 1. Coeficiente de atenuación kλ (m-1) en función de la longitud de onda λ, en aguas claras
del océano abierto (línea sólida) y en aguas costeras turbias (línea cortada).
Figura 2.a. Flujo neto de calor en la superficie del mar. Promedio anual en W/m2.
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Figura 2.b. Distribución de temperatura superficial del mar (º C).
Figura 3. Balance hídrico global: muestra el ciclo del agua en la Tierra y los volúmenes de agua
transportada en Km3 por año.
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Figura 4. Representación esquemática del campo de temperaturas medias en el Océano Pacífico
Tropical Sur-oriental para los meses de febrero y agosto.
Figura 5.a. Distribución promedio de salinidad en el océano global. Los contornos marcan las
isohalinas cada una unidad de salinidad.
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Figura 5.b. Valores promedio de salinidad (línea azul) y diferencia entre el promedio anual de
evaporación y precipitación (E-P, línea roja) en función de la latitud.