Dinámica Atmosférica: Contaminación Del Aire Ing. Rafaela Viteri Uzcátegui

Dinámica atmosférica CONTAMINACIÓN DEL AIRE ING. RAFAELA VITERI UZCÁTEGUI

Dinámica de la atmósfera Parte de la Termodinámica que estudia las leyes físicas y los flujos de energía involucrados en los procesos atmosféricos. Estos procesos presentan una gran complejidad por la enorme gama de interacciones posible tanto en el mismo seno de la atmósfera como con las otras partes (sólida y líquida) de nuestro planeta. La termodinámica establece tres leyes, además de lo que se conoce como principio cero de la termodinámica. Estas tres leyes rigen en todo el mundo físico-natural y constituyen la base científica de los procesos que constituyen el campo de la dinámica de la atmósfera.

Fenómenos atmosféricos Calentamiento y enfriamiento del aire, siguiendo un ciclo que puede ser diario, estacional o anual.

Los vientos, que se producen para compensar las diferencias de presión atmosférica. La ley general en este caso es que los vientos se desplazan desde los lugares donde tienen mayor presión a los que tienen menor presión. La humedad, que es la mayor o menor cantidad de vapor de agua que tiene la atmósfera en un lugar y momento determinados. Las precipitaciones permiten que con la evaporación, la condensación y las lluvias se abastezca la provisión de las aguas continentales (aguas superficiales o subterráneas de continentes e islas en los ríos, lagos, etc.)

La atmósfera Contenido típico de agua es de 1,15% molar. Tiene una frontera inferior bien definida pero bastante desigual. Se enrarece cada vez más al aumentar la altura. La mitad de la masa de la atmósfera se encuentra hasta más o menos 3,4 millas de la superficie, el 99% está hasta más o menos 20 millas de la superficie. La mayor parte de los movimientos son horizontales.

Movimiento atmosférico horizontal Provocado por un calentamiento desigual de la superficie terrestre y es modificado por el efecto de la rotación (fuerza de Coriolis) y por la influencia del terreno y el mar.

Calentamiento ecuatorial enfriamiento polar El flujo de calor solar a la superficie de la Tierra en el ecuador es 2,4 veces mayor que en los polos. Existe un número impar de subceldas En el norte se ce un flujo de sur a norte a gran altitud y

Uno de norte a sur en la superficie en las celdas tropical y polar Flujos dirigidos en direcciones opuestas en las zonas templadas

Existen 7 fronteras entre celdas, una en el ecuador, dos en cada hemisferio y dos en los polos. El aire ascendente se enfría y produce lluvia El aire descendente se calienta y se vuelve seco

Efecto de la rotación de la tierra La fuerza de Coriolis cuando se añade a las otras fuerzas de Newton del movimiento, predice con corrección el comportamiento observado.

Actúa formando ángulos rectos con el movimiento del cuerpo, es proporcional a la velocidad del cuerpo en movimiento 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑖𝑜𝑙𝑖𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑢𝑛 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑖𝑜𝑙𝑖𝑠 = = 2𝑉𝜔𝑆𝑒𝑛𝜃 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

Velocidad típica del viento es 2,9 x10 -5 veces la aceleración de la gravedad No podemos percibir la fuerza de Coriolis Las fuerzas principales de aceleración que causan el flujo horizontal en la atmósfera son las fuerzas de Coriolis, las fuerzas del gradiente de presión y la resistencia de fricción en la superficie de la Tierra.

Actúa formando ángulos rectos con la velocidad del cuerpo en movimiento En el hemisferio norte cambia la dirección del cuerpo hacia la derecha y en el sur hacia la izquierda Cerca del ecuador el viento superficial viene del este, en las altitudes medias, el viento superficial viene del oeste.

Influencia de la tierra y el mar Las montañas son barreras para los vientos horizontales. La tierra sólida es mala conductora del calor. El océano y lagos se calientan y enfrían con lentitud. El calentamiento o enfriamiento de la capa de aire adyacente al piso sólido es más rápido. Las predicciones son mejores cerca del ecuador

Movimiento vertical en la atmósfera Cualquier porción que sea más densa que el aire que la rodea se hundirá por la acción de un empuje vertical negativo.

Producido por los cambios de densidad del aire.

𝑀𝑃 𝜌= 𝑅𝑇

Cambio de la densidad del aire con la presión La ecuación básica de la estática de fluidos o ecuación barométrica expresa que: 𝑑𝑝 = −𝜌𝑔 𝑑𝑧 𝑑𝑝 𝑔𝑀𝑃 =− 𝑑𝑧 𝑅𝑇 El gradiente adiabátic vertical de temperatura varía como 5,4°F por cada 1000 ft o 10 °C por km. Si el gradiente es mayor recibe el nombre de gradiente superadiabático vertical de temperatura Y si es menor es un gradiente subadiabátco vertical de temperatura.

Corrientes Marinas y Calentamiento Global

Definición Las corrientes marinas se presentan como movimientos de agua en los océanos que perduran por largo tiempo, y se extienden a lo largo de grandes regiones

Como se forman las corrientes marinas? Las corrientes marinas se forman por la acción combinada del viento, las mareas y la densidad del agua, las que a su vez son originadas por las diferencias de temperatura que existen en las diferentes latitudes de la tierra.

La dirección que siguen las corrientes marinas depende de la rotación terrestre ya que esta ejerce un efecto sobre lo objetos que se mueven en la superficie, lo que se conoce como efecto coriolis.

El agua en la zona ecuatorial, debido a la radiación solar más intensa se expande y esto causa que el nivel del mar sea más elevado que en otras latitudes aproximadamente 8 cm más, como resultado de esto se forma una inclinación y el agua tiende a fluir en dirección de la pendiente.

Tipos de Corrientes Existen corrientes cálidas y corrientes frías. Las corrientes calientes al oeste de las cuencas del océano, como la corriente del Golfo, son capaces de transportar gran cantidad de energía en forma de calor hacia los Polos; de manera contraria las corrientes frías que bajan desde los Polos por el lado este, ayudan a refrescar las zonas tropicales

Como afectan las corrientes marinas al clima? Un ejemplo de cómo las corrientes marinas afectan el clima ocurre en las costas de Escandinavia, que se encuentran ubicadas muy cerca del Polo Norte, en este lugar no se forma hielo y las temperaturas son altas considerando la latitud en la cual este lugar se encuentra. De la misma manera las corrientes marinas permiten la existencia de los arrecifes de coral en latitudes altas.

Importancia de las corrientes marinas Diferencia de la temperatura en las distintas latitudes no es tan marcada. Transporte de nutrientes Proliferación de la vida

Navegación marítima

El Cambio Climático Calentamiento Global

Efecto Invernadero

Cambio Climático y Corrientes Marinas “El calentamiento no será uniforme geográficamente por lo que se originaran cambios en los actuales gradientes de temperatura y consiguientes alteraciones en la circulación de los vientos, la distribución de las precipitaciones y las corrientes marinas” (Vicente Barros)

Cambio Climático y Corrientes Marinas En la franja tropical la radiación incidente es mayor a la terrestre saliente y sucede exactamente lo contrario en latitudes medias y altas de ambos hemisferios. Existe un transporte de calor desde las zonas tropicales a latitudes altas ocasionado por vientos y corrientes marinas

La Circulación Termohalina Gran cinta transportadora, el patrón de circulación traslada agua cálida de la superficie del hemisferio sur hacia el Polo Norte. Entre Groenlandia y Noruega, el agua se enfría, se hunde en el océano profundo, y empieza a fluir de regreso hacia el sur.

La Circulación Termohalina La interrupción de la Circulación Termohalina se daría a causa de:

Una mayor cantidad de agua dulce entrando principalmente al Atlántico Norte debido al: Incremento en la precipitación y el deshielo de casquetes polares y glaciares, provocadas por el calentamiento global.

Cambio Climático y Corrientes Marinas

Forzamiento Radiativo por Aerosoles

Forzamiento Radiativo (FR) Según el IPCC y su TAR (Third Assessment Report), han definido al forzamiento radiativo como: ◦ “El cambio neto de irradiación en la tropopausa después de que las temperaturas en la estratósfera se reajusten y lleguen a un equilibrio radiativo, siempre y cuando las temperaturas y el estado de la superficie y de la tropósfera se mantengan fijos en valores imperturbables”.

La tropopausa es el espacio atmosférico entre la tropósfera y la estratósfera. El forzamiento radiativo es usado para evaluar y comparar los agentes naturales y antropogénicos que generan el cambio climático.

Además, se ha usado al FR como un indicador directo del cambio climático mediante ciertos modelos matemáticos aplicables para cada agente en la atmósfera.

Básicamente es la influencia de un factor (i.e. un aerosol) que puede generar cambio climático. ◦ FR=(Radiación Solar entrante)-(Radiación infrarroja reflejada) ◦ Sus unidades son de W/m2

Cuando el FR es positivo se dice que la energía de la atmósfera terrestre se incrementará, llevando a un incremento de temperatura. Cuando el FR es negativo, la energía de la atmósfera está decreciendo; por ende, se percibe un decremento en la temperatura.

Los Aerosoles Los aerosoles son una mezcla heterogénea de partículas sólidas o líquidas suspendidas en un gas. El tamaño de las partículas varían desde 0.002m hasta 100 m

Existen dos clases de aerosoles:

◦ Primarios: Emitidos directamente de la fuente ◦ Secundarios: Se forman en la atmósfera por la emisión de otros gases. Por sus efectos, el IPCC-TAR ha categorizado a los aerosoles de forzamiento radiativo (AFR) en dos grupos:

◦ Los que producen Efectos Directos ◦ Los que producen Efectos Indirectos

AFR Directos Es el mecanismo mediante el cual los aerosoles dispersan o absorben radiación de onda corta y onda larga (en menor cantidad). FR (+): aerosoles que dispersan la radiación FR (+ ó -): aerosoles que absorben parcialmente la radiación. FR directo debido a todos los aerosoles combinados según TAR-IPCC: -0.4 W/m2

Aerosol

Características

FR [W/m2]

Actividad industrial Dependen de humedad relativa Pueden mezclarse interna o externamente con otros aerosoles

-0.26 a -0.82

Mezcla interna con BC

+0.16

Mezcla interna

-0.10

Mezcla externa

+0.20 y +0.16

Mezcla interna con sulfato

+0.36 y +0.44

Componentes dispersan

-0.4

Componentes absorben

+0.2

Polvo mineral

Dependiendo del albedo individual y perfil vertical de las partículas (signo y magnitud dependen de origen de partícula)

+0.4 a -0.6

Nitratos

Sulfatos neutralizados y amonio en exceso

-0.03

Sulfatos

Carbón orgánico de combustibles fósiles

Carbón negro de combustibles fósiles

Biomasa quemada

Efectos directos del FR

AFR Indirectos Es el mecanismo mediante el cual los aerosoles modifican la microfísica de la tropósfera (nubes) y por ende sus propiedades radiativas. Un parámetro para medir el efecto indirecto es la efectividad de una partícula de aerosol a actuar como un núcleo de condensación de nubes; la misma que es una función de la composición química, del tamaño, el estado de mezcla y del ambiente.

Número, concentración y tamaño de las gotas

Efecto de albedo de la nube

Único considerado para determinar FR Entre 0 y -2 W/m2

Considerar tamaño y composición de partícula, cristales de hielo, distribución gotas,

Efectos indirectos

Contenido de líquido, altura, densidad y tiempo de vida nubes. Efecto en el tiempo de vida de la nube Simulaciones aerosoles pre-industrial y en la actualidad (5 años)

Aerosol

Características

FR [W/m2]

Sulfatos

Asociado a formación de gotas

-0.3 a -1.8

Neto

-1.57 y -2.1

Aerosoles carbonosos

Actúan eficientemente como núcleos de condensación

-0.52 y -1.16

Aerosoles y sus efectos sobre las nubes de hielo

Núcleos del condensación

+0.02

Efecto semi-directo

Absorción radiación onda corta por aerosoles

Calentamiento troposfera

Cambios en humedad relativa y estabilidad troposfera

Influencia formación de nubes y su tiempo de vida

Determinación y limitaciones Modelos: distribución temporal y espacial de aerosoles y propiedades ópticas: coeficiente de extinción, albedo individual del dispersión y función fase de dispersión. Forzamiento tendencia a regionalizarse: tiempos de vida media (procesos de tranposrte y deposición)

Dependencia de estaciones del año: Cantidad de radiación solar que se recibe Limitado: No considera condiciones meteorológicas en formación de nubes

Incertidumbre: carga de aerosoles asignada a la atmósfera, parámatros ópticos y FR como resultado de estas variables.