Clase 1 La atmósfera terrestre

Clase 1
La atmósfera terrestre
CFG
2009:
Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
Preguntas claves:
Parte A
1.  ¿Cuan grande es la atmósfera?
2.  ¿De que esta compuesta la atmósfera?
3.  ¿Cuál es la historia de la atmósfera?
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Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
¿Cuan alta es la atmósfera?
La atmósfera es la capa gaseosa que rodea al planeta tierra (otros planetas
también tienen esta envolvente). La experiencia nos indica que el aire se
hace menos denso con la altura, una señal que la atmósfera tiene un limite
vertical.
Una primera aproximación de ese limite fue obtenida en el año 1025
(Alhazen), considerando el tiempo que transcurre desde que el sol se pone
en el horizonte y comienza la noche. Esto se debe a que rayos solares son
reflejados por las moléculas de aire hacia la superficie de la tierra. El ocaso
dura cerca de 36 min. Durante ese periodo la tierra gira: 0.6h*360º/24 = 9 º.
Como cos(9º) = R / (R+H), donde R=radio terrestre= 6400 km → H ∼ 60 km
H
9° R
Polo Norte
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Entonces, podemos re-nombrar a la atmósfera
como la delgada envolvente gaseosa de la tierra
(99% de su masa bajo los 50 km)
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¿Cuanto pesa la atmósfera?
Mb
=
1015
Kg
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Clima
¿De que esta hecha la atmósfera?
Noten
que
las
moléculas
importantes
(aparte
del
oxígeno)
representan
menos
del
1%
de
la
masa
atmosférica!!
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Clima
Funciones
de
la
atmósfera
•  Protege
a
la
vida
de
radiación
peligrosa:
UV,
rayos‐x
•  ManRene
el
equilibro
térmico:
manRene
un
temperatura
media
estable:
evita
enfriamiento
extremo
durante
la
noche.
•  Transporta energía de latitudes bajas a altas.
•  ConRene
el
vapor
de
agua
y
a
través
de
la
circulación
general
distribuye
la
precipitación.
•  Nos
protege
de
pequeños
meteoritos.
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Historia de la Atmósfera
•  El planeta tierra se formó hace unos 4.500 millones de
años (Ma).
• Atmósfera primaria:
•  Su atmósfera consistía probablemente de gases
abundantes en el sistema solar: Hidrogeno (H) y Helio (He).
•  Ambos gases son muy livianos y eventualmente se
perdieron hacia el espacio:
Vel. escape campo gravitacional = 11 km/s
Vel. típica de una molécula = (2kT / M)ˆ0.5 (M: masa molecular)
Vel. típica H = 3 km/s (M=1)....probabilidad de escape: 1/1e6
Vel. típica O = 0.8 km/s (M=16)....probabilidad de escape: 1/1e80
(En ambos casos z=500 km, T=600K).
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Historia de la Atmósfera
• Atmósfera secundaria:
•  Emisiones volcánicas y enfriamiento del magma
inyectaron H20, CO2, SO2, N2, H2, Cl2 a la atmósfera
primitiva.
•  Enfriamiento de la atmósfera primitiva permitió que
vapor de agua condensara y precipitara para formar
los océanos.
• Parte del CO2 se disolvió en las
gotas y también precipitó,
incorporándose al océano.
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Aparece la vida....
3.900 millones de años atrás, bacterias anaeróbicas
(cianobacterias) en el océano comenzaron a producir
O2 a través de la reacción foto-sintética:
H2O + CO2 + LUZ → {CH2O} + O2
La reacción anterior requiere luz visible. Bacterias
ubicadas cerca de la superficie para recibir luz, pero no
tan cerca como para “quemarse” con la radiación UV.
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La acumulación del O2 en la atmósfera conlleva la
formación de una capa de Ozono (O3) a través de las
reacciones:
O2 + UV → O + O
O2 + O + M → O3 + M
La primera reacción “consume” la radiación Ultravioleta
(UV), de forma que la formación de la capa de Ozono
permite que los organismos vivos se acerquen a la
superficie del océano y eventualmente salgan a la tierra
unos 400 Ma atrás.
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Historia de la
Atmósfera
Existencia de biosfera en la tierra
explica también la baja
concentración de CO2.
Algunas de estas moléculas son
fijadas por los animales, los cuales
una vez muertos forman los
sedimentos marinos. Estos a la
vez entran a la corteza terrestre a
través de la subducción y el CO2
puede regresar a la atmósfera
durante erupciones volcánicas.
CO2 en la atmósfera también
reacciona con algunos minerales
que son disueltos por la lluvia y
llevados al mar donde también
precipitan en el fondo marino.
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Preguntas claves
Parte B
1.  ¿Qué es la presión y temperatura?
2.  ¿Cómo varían con la altura?
3.  ¿Cuál es la estructura de la atmósfera?
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Atmósfera – Aire – Moleculas
1 m – 20 km
Mundo Microscópico: seguimos a cada molécula
Mundo Macroscópico: fluido con propiedades continuas…OK
10-8 m
10-10 m
1 m – 10.000 km
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Presión
Mundo Microscópico: P = F/A = (2/3)*(N/V)*(½mv2)
Mundo macroscópico P = F/A….F ejercida por el fluido
La presión dentro de un fluido la continuamos definiendo como la fuerza
por unidad de área que ejerce el fluido sobre una pared (real o virtual).
La podemos medir con un manómetro
Fuerza ∝Deformación
Presión = F / A
A
1 Pascal = 1 Newton / m2
1 hPa = 100 Pa
1 hPa = 1 milibar
F
Vacio
Podemos pasear nuestro manómetro por el fluido, con lo cual
obtendremos la distribución de presiones: P = P (x,y,z).
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Mundo macroscópico: Equilibrio Hidrostático
Una observación importante es que en un punto fijo, la presión es
independiente de la orientación del manómetro.
Además, aplicando la segunda ley de Newton a un cierto volumen de
aire de densidad ρ (=M/V) en reposo obtenemos la ecuación de balance
hidrostático:
Fs = A*p(sup)
H
p = g*ρ*V
Fi = A*p(inf)
Δ P = P(inferior) – P(superior) = ρ*g*H
Es decir, la presión siempre aumenta hacia abajo, y el aumento de
presión es proporcional a la densidad del fluido y el espesor de la
capa.
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Tiempo
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Clima
Mundo macroscópico: Presión atmosférica
En el caso de la atmósfera, la condición en el tope es P(superior) = 0
Tope: p=0
H
P(z)
z
Entonces, la presión atmosférica a una altura z sobre el nivel del mar es:
P(z) = g*ρ*H = g*ρ*H*1*1 = g*ρ*Vol = g*Masa
P(z) = Peso columna de aire por encima del nivel z
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Clima
Mundo macroscópico: Presión atmosférica
P(z) = Peso columna de aire por encima del nivel z
Entonces la presión atmosférica siempre disminuye con la altura (sobre
la superficie) y puede ser empleada como una coordenada vertical.
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Tiempo
y
Clima
Completar la tabla siguiente....
Nivel
Presión
Masa sobre nivel
Masa bajo nivel
[km]
[hPa]
[kg]
[kg]
0
1013
Superficie del mar
5
500
Mo. Aconcagua
12
200
Tropopausa
30
15
Max. Ozono
50
1
Estratopausa
80
1e-2
Termopausa
120
1e-5
Homopausa
[%]
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Clima
Observacionenes
[%]
Temperatura
Mundo Microscópico: T = 2/(3k)*(½mv2)
Mundo macroscópico:
La temperatura en tanto se asocia con el concepto de cuan caliente o frío
esta un cuerpo o fluido cuando este se toca.
Esta indicación cualitativa se cuantifica a través de los termómetros, que
usualmente se basan en la dilatación o contracción de un material cuando
cambia la temperatura.
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Tiempo
y
Clima
Para graduar un termómetro, se necesitan fijar dos condiciones de
referencia (fenómenos independientes del instrumento y fácilmente
reproducibles en laboratorio):
•  En la mediciones en Centígrados (o grados Celsius), 0°C = punto de fusión
del hielo y 100°C = punto de ebullición del agua.
•  La escala en Fahrenheit esta dada por 0°F = temperatura de fusión del
XXX y 96°F= temperatura normal del cuerpo humano. [ T(F) = 9*T(C)/5 +
32F ]
•  En meteorología y física, muchas veces se emplea la temperatura en
grados Kelvin, donde T(K) = T(C) + 273K
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Tiempo
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Clima
Estructura vertical de la atmósfera
¿Como la conocemos?
1830-1920: Mediciones hasta 10-12 km mediante Globos Aerostaticos
1920: Invención del radiosonda (hasta 40 km)
1950: Invención del Cohete-sonda (hasta 80 km)
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Tiempo
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Clima
Estructura vertical de la
atmósfera
Inspección del perfil vertical de
temperatura revela varias capas en
las cuales la temperatura disminuye
con la altura (condición normal?) o
aumenta con la altura (inversiones
térmicas):
•  Troposfera (esfera móvil)
•  Estratosfera (esfera de capas)
•  Mesosfera (esfera media)
•  Termosfera
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Tiempo
y
Clima
Estructura vertical de la
atmósfera
Altura de la troposfera cambia con la
latitud y también en el tiempo....
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Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
Estructura vertical
de la atmósfera
Sol Activo
En un contexto mas
amplio y considerando la
distribución de los gases
se
distingue
la
homosfera (0-100 km) y
la heterosfera (100-500
km). 500 km
Exosfera
Heterosfera
100 km
Homosfera
100 
500
CFG
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Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
1000
1500
Temperature
2000 K
Venus
Marte
Que similitudes/diferencias existen entre la atmósfera de la Tierra, Marte y Venus?
Como es la estructura vertical de Júpiter, Saturno, etc...?
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Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
Tarea 1
• Investigar la composición de la atmósfera de Marte y Venus (Júpiter y
Saturno). Enfatizar las similitudes y diferencias entre esas atmósferas y
la terrestre.
• ¿Que procesos pueden explicar algunas de esas similitudes y
diferencias?
• Por ahora, esta clase la pueden bajar desde:
ftp://pillan.dgf.uchile.cl/pub/maisa/CGF09/clase01_MR2009.pdf
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Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
Completar la tabla siguiente....
Capa
Gradiente de
Temperatura (°C/
Km)
Turbulenta o
Estable?
Troposfera
Estratosfera
Mesosfera
Termosfera
CFG
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Atmósfera,
Tiempo
y
Clima
Fenomenos
destacados