4.1 La Atmosfera Word

 

APUNTES DE HIDROLOGIA – CIV 361 – UAJMS - ING. OSCAR RICALDI TORREZ

 

CAPITULO 4 LA ATMOSFERA

1. LA ATMÓSFERA La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea completamente al globo terráqueo, unida a él por la acción de la gravedad. Se extiende verticalmente hacia el interior de la corteza terrestre y hacia el espacio exterior. Los límites son imprecisos; con un gran margen de amplitud, unos 60 km en el primer caso y de 500 a 600 km en el segundo. El tránsito de la atmósfera al espacio interplanetario se verifica de una manera muy gradual. La importancia de esta envoltura gaseosa queda puesta de manifiesto por el hecho que, sin la misma, la vida no sería posible en la Tierra, ni se producirían los fenómenos meteorológicos. Desde el punto de vista de la Hidrología, la atmósfera constituye simultáneamente: a) Un enorme depósito de vapor de agua que contiene, según las condiciones meteorológicas, zonas donde este vapor se convierte en microgotas de agua líquida o ínfimas partículas de hielo, que forman nieblas y nubes. Según las fluctuaciones del estado mecánico y termodinámico del medio ambiente, los elementos de esa fase condensada del agua se evaporan de nuevo o se aglomeran originando precipitaciones. b) Un vasto sistema de transporte y distribución del agua atmosférica por encima de las tierras y los océanos, por medio de una red compleja y fluctuante de corrientes aéreas regulares o fortuitas. c) Un gran colector de calor que absorbe selectivamente una pequeña parte de la radiación solar directa y una más amplia fracción de la redacción calórica indirecta, emitida por la tierra al ser calentada por el sol. Si no existiera la atmósfera, aquella alcanzaría durante el día temperaturas mayores a 95°C, mientras que durante la noche descendería aproximadamente a  –180°C.

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La atmósfera actúa como un filtro que impide que lleguen todos los rayos del sol a la Tierra. Algunos de los rayos más perjudiciales, como los rayos X y los ultravioleta son totalmente absorbidos en las capas altas de la atmósfera. Los rayos ultravioleta son totalmente absorbidos en la capa de ozono, situada entre los 25 y los 40 Km de altura. En la capa inferior de la atmósfera, llamada troposfera (bajo el nivel de la Tropopausa), tienen lugar los fenómenos atmosféricos. Es la más importante para la vida. En ella se encuentra el aire, que está compuesto de oxígeno (21%), nitrógeno (78%) y otros gases. Entre la atmósfera y la superficie terrestre se produce un intercambio permanente de calor a través de los movimientos constantes del aire, la evaporación y la condensación del vapor de agua. alteración en la Pequeñas atmósfera provocaría grandes trastornos en las formas de vida deCualquier la superficie terrestre. variaciones de la temperatura media del planeta pueden producir cambios en el clima de todo el mundo. Se ampliarían zonas de sequía y aumentaría la erosión de los suelos. La falta de agua y el aumento de los incendios provocarían la desaparición de bosques.

Zonificación El espesor de la atmósfera es teóricamente indefinido, pero desde el punto de vista de la Meteorología Práctica presentan interés prioritario los fenómenos que ocurren en la capa inferior, de unos 15 km de espesor.  A la presión normal de 760 mmHg, la masa de la atmósfera atmósf era (alrededor de 10 toneladas por m2 de 15 superficie), es del orden de 5x10  toneladas, o sea casi la millonésima parte de la masa total del planeta. De ese total:   los primeros 5 km encierran la mitad de la masa de la atmósfera   los 10 primeros kilómetros contienen las ¾ partes   los 20 primeros km, los 9/10. Las dimensiones horizontales de la atmósfera meteorológica son pues, en extremo grandes con relación a las verticales. En este espacio “muy plano” se produce que:   a) Las variaciones de las magnitudes físicas son rápidas en dirección vertical y muy lentas en horizontal. Para la temperatura y la presión, los gradientes que siguen esas dos direcciones, están corrientemente en la relación de 1:1.000 y a veces, de hasta 1:10.000. b) Las grandes corrientes aéreas son casi horizontales, fuera de las perturbaciones locales, la componente vertical media de los vientos, en altura, es del orden de 1/100 de la componente horizontal. Teniendo en cuenta las propiedades térmicas de la atmósfera, se pueden distinguir en la misma, cinco estratos principales superpuestos: 1) Troposfera.-Recibe esta denominación (literalmente “capa cambiante”), la zona atmosférica más próxima a la superficie terrestre, dentro de la cual se producen los principales fenómenos meteorológicos (nubes, frentes de tormenta, precipitaciones, vientos, etc.). Casi todo el vapor de agua y el polvo de la atmósfera se localizan en esta capa. En la troposfera la temperatura desciende conforme aumenta la altitud, llegando en el límite superior (denominado tropopausa), a un valor medio de  –60°C. Dicho límite varía con la latitud del 

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lugar y la época del año, ubicándose en términos generales a los 13 km en zonas templadas, 16 km en la franja ecuatorial y 8 km en las regiones polares. 2) Estratosfera.- Esta capa se ubica sobre la anterior, extendiéndose hasta una altura del orden de los 40 km. En ella la temperatura se mantiene aproximadamente constante en el valor antes indicado, produciéndose en la misma, fuertes vientos horizontales y pequeñas corrientes verticales. En el límite superior de esta capa (la estratopausa), se produce un máximo localizado de temperatura, la que vuelve a alcanzar valores positivos, dando lugar a la denominada capa caliente, cuyo origen posiblemente se encuentra en la energía que de manera constante se desprende porde la producción de ozono. El incremento la presenciade dedestrucción esta gas, cuya concentración máxima se produce entre los 20 y 30 km, tiene especial interés por dos razones: la primera, por actuar como pantalla de las letales radiaciones ultravioleta del sol y en segundo lugar, al absorber una parte apreciable de la radiación emitido por la tierra, contribuyendo al equilibrio térmico de la atmósfera interior. 3) Mesosfera.- Se extiende hasta la mesopausa (80 a 90 km de altitud), caracterizándose por una continua disminución de la temperatura, que llega hasta valores de  –90°C. 4) Termosfera.- o Ionosfera. En esta zona la temperatura de las partículas vuelve a aumentar al altitud, llegando durante el día a alcanzar valores del orden de los 500°C, si bien la densidad de la materia gaseosa es ya tan débil que el concepto de temperatura es puramente matemático. En la Ionosfera se producen una serie de fenómenos físicos-químicos, aún poco conocidos, constituidos básicamente por la absorción de las radiaciones de onda corta del sol y la ionización de varios tipos de moléculas y átomos de gas atmosférico. Las ondas de radio son reflejadas por esta capa. El límite superior de la ionosfera (termopausa) puede ubicarse aproximadamente entre los 800 y 1.100 km. 5) Exosfera.-  A partir del límite anteriormente indicado, da comienzo la exosfera, zona exterior, ilimitada de la atmósfera. Está constituida por átomos sueltos y aislados (con una concentración de menos de átomo por cm3), que va disminuyendo progresivamente hasta que se convierte en espacio interplanetario. Posiblemente la temperatura de estas partículas de aire, sea durante el día de unos 2.500°C, mientras que por la noche alcanzarían valores cercanos al cero absoluto.

Espesor No se puede fijar una altura determinada a la atmósfera. Su densidad disminuye gradualmente desde la superficie y algunos fenómenos observados a por lo menos 800 km de altura (casos especiales de auroras boreales) muestran aún la existencia de atmósfera a esa distancia de la superficie terrestre. Convencionalmente se fija el límite de la atmósfera en 2 000 km.

Composición Componentes Fijos La partecuyos principal de la atmósfera la constituye el aire, mecánica (no de diferentes gases, porcentajes expresados en volumen son mezcla aproximadamente los química) siguientes:   Nitrógeno .....................................78.080 %   Oxígeno .......................................20.950 %   Argón............................................0.930 %   Anhídrido Carbónico ................... 0.035 %   Otros gases..................................0.005 % El nitrógeno participa en el reciclado mediante las actividades humanas y por la acción de los microorganismos sobre los desperdicios animales. El oxígeno y el anhídrido carbónico son reciclados (en sentidos opuestos) por medio de la respiración de los animales y a acción de la fotosíntesis de las plantas; este último es también un producto de la combustión de los combustibles fósiles. El argón y los “otros gases” (neón, hidrógeno, helio, criptón, xenón, metano y otros) son inertes y

carentes de importancia. En este grupo se incluye también al ozono (O3), producto de la escisión de la molécula de oxígeno (O2) en átomos individuales por la acción de la radiación solar, y que se unen a moléculas intactas. Las proporciones medias señaladas del sonhidrógeno prácticamente constantes una altura de 18 a 20 km, variando luego, con predominio por encima de loshasta 100 km. GESTION 2015

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Componentes Variables  Además de los componentes citados, existen otros, de los cuales el más importante im portante es el vapor de agua, cuya proporción varía entre 0.05% y 2.5%, en peso, siendo su cantidad función del tiempo y del espacio, principalmente de la temperatura.  A pesar de hallarse en la atmósfera en tan pequeña proporción, pr oporción, el vapor de agua es un elemento regulador de la temperatura (tiende a hacerla igual en los diferentes sitios) y su participación en el ciclo hidrológico es imprescindible, sin él sería imposible la vida en la Tierra. La composición de la atmósfera se completa con el denominado polvo o limo atmosférico , constituido por una diversidad de partículas sólidas que se mantienen en suspensión dentro de la misma. Su origen es orgánico en el caso de microorganismos, esporas de las plantas, hongos y bacterias, e inorgánicos para los humos, cenizas volcánicas, material muy fino de la superficie terrestre en suspensión y residuos de combustibles.  A pesar de su gran cantidad, su proporción dentro de la masa de aire es, sin embargo, mínima, m ínima, y el número y naturaleza de las partículas sólidas varía sensiblemente según se trate de lugares densamente poblados, campos, bosques, sitios elevados o situados en el mar, etc. La alta atmósfera está casi libre de este limo atmosférico.

Atmósfera Standard En numerosos problemas prácticos se emplea la atmósfera standard, conocida internacionalmente por la sigla ISA, calculada sobre bases de aproximación suficientes y para condiciones medias normales, y que ha sido adoptada por el Comité Internacional de Navegación Aérea.

Esta atmósfera tipo ha sido definida con los siguientes parámetros:   Temperatura ...................... 15°C hectopascales es   Presión ............................... 1 013.2 hectopascal    

3 Cota .................................... a 6.5°C nivel del ) Gradiente Térmico............... – pormar cada(01msnm 000 metros de altura, hasta los 11 km de altitud, por encima de la cual la temperatura se considera constante, con un valor de  –56.5°C.

2. CLIMATOLOGÍA Definición de clima Según la Organización Meteorológica Mundial (OMM): Clima es el conjunto fluctuante de condiciones atmosféricas, caracterizado por los estados y la evolución del tiempo, en el curso de un período suficientemente largo en un dominio espacial determinado.

Factores y elementos  Al estudiar el clima se suelen considerar en él dos aspectos fundamentales o bien dos tipos de parámetros: factores y elementos:   Factores son aquellos aspectos físicos y geofísicos que condiciones el clima.   Elementos son cada uno de sus componentes, que no son otra cosa que las variables meteorológicas que lo determinan.

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Factores Entre los factores que condicionan el clima de un lugar determinado, cabe citar: a) La latitud, que es el factor más importante, que condiciona la radiación solar. b) La altitud, pues disminuye con ella la temperatura, a la vez que se altera la radiación.   c) La continentalidad, es decir la mayor o menor distancia de un lugar a los mares.   d) La orografía, puesto que los cordones montañosos constituyen verdaderos muros de contención al flujo normal del aire.  

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g) La vegetación, debiendo destacarse que existe una interacción mutua entre clima y vegetación, pues se condicionan recíprocamente.

Elementos Los elementos del clima están dados prácticamente por las variables meteorológicas del lugar considerado, en especial la:  

radiación,

   

temperatura, precipitación,   la presión,   vientos, los valores medios y extremos que éstas toman y sus regímenes de variación.

Series de mediciones de los elementos Para el estudio de la climatología deben utilizarse exhaustivamente los datos existentes, dado que al ser una ciencia descriptiva, trabaja con los valores surgidos de sus propias observaciones. La definición de clima de la OMM hace referencia a “un período suficientemente largo”.  

En términos muy generales se ha establecido que un lapso de 30 a 35 años es suficiente para definir las variables climatológicas de un determinado lugar, dado que en el mismo se desarrollaría un ciclo meteorológico completo. Sin embargo, la extensión de la serie de datos debe ser variable, pues un período determinado puede ser suficiente para medir una variable e insuficiente para otra. Así por ejemplo, la variabilidad de la presión es francamente pequeña en la mayor parte de la Tierra (salvo Islandia y Siberia), bastando por consiguiente con unos pocos años de registros para elaborar una estadística de presión. No ocurre lo propio con la precipitación, que presenta una variabilidad sumamente grande, pudiendo variar de un año a otro del 300% al 400%, y no en el orden del 5% como ocurre con la presión. Esta situación se traduce en un significativo conflicto para el análisis estadístico,  justamente en el fenómeno cuya evaluación es la que más interesa en la Ingeniería Hidrológica. Para la caracterización de la temperatura en un determinado lugar, dados los valores usuales y su variación, la serie de registros necesarios resulta menor que para el caso de las precipitaciones. Otro problema que presenta el análisis de las precipitaciones, es que su límite inferior puede ser cero y no tiene significado otro valor menor, no así las series de temperaturas, que siempre se hallan abiertas.

Tiempo y clima Con frecuencia se confunde el tiempo atmosférico y el clima de un lugar. El tiempo atmosférico a una hora determinada, por ejemplo a las doce del mediodía, viene determinado por la temperatura, presión atmosférica, dirección y fuerza del viento, cantidad de nubes, humedad etc., registrados en el instante que se considera. Se comprende que el tiempo atmosférico cambia rápidamente por variar la temperatura, la presión atmosférica etc. No hace la misma temperatura a las 12 del mediodía que a las 6 de la mañana. Por otro lado también puede decirse que Madrid, París y Caracas tienen el mismo tiempo en un momento dado, por ejemplo, un día con lluvia en las tres capitales da lugar a un mismo tiempo lluvioso. Sin embargo, es evidente que éstas tres ciudades no tienen el mismo clima, ni siquiera parecido. Prueba de ello es la diferente vegetación que rodea a cada una de ellas: GESTION 2015

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exuberantemente tropical en Caracas, abundante en bosques y praderas en París y más bien esteparia y reseca en Madrid.  Así pues, el tiempo tiem po traduce algo que es instantáneo, instantáne o, cambiante y en cierto modo irrepetible; irrep etible; el clima, en cambio, aunque se refiere a los mismos fenómenos, los traduce a una dimensión más permanente duradera y estable. De esta manera podemos definir el tiempo como "el estado de la atmósfera en un lugar y un momento determinados"; y el clima ,"como la sucesión periódica de tipos de tiempo"

CLASIFICACIÓN DEL CLIMA Puesto que el clima es una compleja combinación de elementos, la que a su vez depende de una no menos compleja combinación de factores, resulta muy difícil intentar una clasificación satisfactoria y de aceptación unánime, de los variadísimos tipos climáticos que se presentan en la superficie terrestre.

Clasificación climática de Koeppen  Koeppen   Vladimir Koeppen propone una clasificación climática en la que se tiene en cuenta tanto las variaciones de temperatura y humedad como las medias de los meses más cálidos o fríos, y lo más importante, hace hincapié en las consecuencias bioclimáticas. Pero, tampoco tiene en cuenta el funcionamiento del clima y la sucesión de tipos de tiempo. Además, en su clasificación utiliza letras para denominar a los climas, lo que la hace muy engorrosa ya que hay que aprender un código nuevo. En realidad, la suya es una clasificación, muy elaborada, según el concepto tradicional de clima; lo que es normal teniendo en cuenta la época en la que se creó. Koeppen publica su clasificación definitiva en 1936. En 1953 dos de sus alumnos, Geiger y Pohl revisan la clasificación, por lo que también se conoce como clasificación de Koeppen-Geiger-Pohl. Esta será la clasificación que veamos. En la clasificación el clima se divide en grupos climáticos, subgrupos y subdivisiones. Los grupos climáticos se establecen en función de la temperatura mensual media. Se escriben con mayúscula y se distinguen:  A

Climas lluviosos tropicales

El mes más frío tiene una temperatura superior a los 18 ºC

B

Climas secos

La evaporación excede las precipitaciones. Siempre hay déficit hídrico

C

Climas templados y húmedos

Temperatura media del mes más frío es menor de 18 ºC y superior a -3 ºC y al menos un mes la temperatura media es superior a 10 ºC

D

Climas boreales o de nieve y bosque

La temperatura media del mes más frío es inferior a -3 ºC y la del mes más cálido superior a 10 ºC

E

Climas polares o de nieve

La temperatura media del mes más cálido es inferior a 10 ºC y superior a 0 ºC

F

Clima de hielos perpetuos

La temperatura media del mes más cálido es inferior a 0 ºC

Los subgrupos dependen de la humedad. Los dos primeros se escriben con mayúscula y el resto con minúscula.

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S

Semiárido (estepa)

Sólo para climas de tipo B

W

 Árido (desértico)

Sólo para climas de tipo B

f

Húmedo sin estación seca

Sólo para climas de tipo A, C y D

m

Húmedo con una corta estación seca

Sólo para climas de tipo A

w

Estación seca en invierno

Sol en posición baja

s

Estación seca en verano

Sol en posición alta

Las subdivisiones dependen de características adicionales. Se expresan en minúscula. a

La temperatura media del mes más cálido supera los 22 ºC

Se aplica a los climas tipo C y D

b

La temperatura media del mes más cálido es inferior a 22 ºC

Se aplica a los climas tipo C y D

c

La temperatura media del mes más frío es inferior a -38 ºC

Se aplica a los climas tipo D

h

La temperatura media anual es superior a 18 ºC

Se aplica a los climas tipo B

k

La temperatura media anual es inferior a 18 ºC

Se aplica a los climas tipo B

De la combinación de grupos y subgrupos obtenemos doce tipos de clima básicos:  Af

Clima de selva tropical lluviosa

El mes más seco caen más de 600 mm de lluvia

 Am

Clima monzónico

El mes más seco caen menos de 600 mm de lluvia

 Aw

Clima de sabana tropical

Por lo menos hay un mes en el que caen menos de 600 mm de lluvia

BS

Clima de estepa

Clima árido continental

BW

Clima desértico

Clima árido con precipitaciones inferiores a 400 mm

Cf

Clima templado húmedo sin estación seca

Las precipitaciones del mes más seco son superiores a 300 mm

Cw

Clima templado húmedo con estación invernal seca

El mes más húmedo del verano es diez veces superior al mes más seco del invierno

Cs

Clima templado húmedo con veranos secos

Las precipitaciones del mes más seco del verano es inferior a 300 mm y la del mes más lluvioso del invierno tres veces superior

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Df

Clima boreal de de nieves y bosque con inviernos húmedos

No hay estación seca

Dw

Climas boreales o de nieve y bosque con inviernos secos

Con una estación seca en invierno

ET

Clima de tundra

Temperatura media del mes más cálido es inferior a 10 ºC y superior a 0 ºC

EF

Clima de los hielos polares

La temperatura media del mes más cálido es inferior a 0 ºC

Estos climas tienen variantes en función de las subdivisiones, por lo que cada clima se expresa con tres letras. En esta clasificación, realidad, no se puede hablar de regiones climáticas, aunque se hace de manera general, sino de qué tipo de clima hay en un lugar atendiendo a estos criterios. Los límites establecidos en esta clasificación como críticos corresponden a los criterios de De Candolleen 1874, después del estudio de los grupos de vegetación definidos según una base fisiológica, de acuerdo con las funciones internas de los órganos de las plantas. La isoterma de 10 ºC en verano corresponde con el límite de crecimiento de los árboles; la isoterma de 18 ºC en invierno es crítica para las plantas tropicales y la isoterma de -3 ºC indica el límite hacia el ecuador permafrost..  del permafrost

Clasificación de Thornthwaite Este investigador ha definido dos índices generales, el de precipitación efectiva PE y el de temperatura efectiva TE , que responden a las siguientes expresiones:

donde: T temperatura media del año, en C Pi precipitación mensual correspondiente al mes “i”, en mm Ti temperatura media mensual correspondiente al mes “i”, en °

°

C

El significado, de acuerdo al valor de cada índice es:  

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Cuadro 2: Clasificación Macroclimática de Thornthwaite

Índice de Blair Está dado por:

P precipitación anual, en mm Cuadro 5: Clasificación Macroclimática de Blair

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3. METEOROLOGÍA  Las características hidrológicas de una región están determinadas por su estructura geomorfológica y geográfica y, en forma dominante, por los valores y variación con que en la misma se presentan los diversos elementos meteorológicos, los que a su vez definen su clima. Entre estos elementos se hallan: la radiación solar, la temperatura (relacionada directamente con la anterior), la humedad, los vientos y, en menor medida, la presión atmosférica.

DEFINICIÓN En su acepción más general, puede definirse la Meteorología como la ciencia a la que conciernen los estados y los fenómenos físicos que se producen en el entorno gaseoso que rodea la Tierra, al que se conoce como atmósfera. Desde un punto de vista genérico, puede dividirse a esta disciplina en dos grandes ramas: una cuyo objetivo básico es el estudio de la física de la atmósfera, y la segunda, denominada Meteorología Práctica, que es la que presenta mayor interés a los fines de su aplicación en Hidrología y en Ingeniería Hidrológica.

El Tiempo Atmosférico En meteorología se denomina “tiempo” al estado de la atmósfera en un lugar y en un momento determinados. Se lo describe en función de los llamados “elementos del tiempo” (radiación solar,

temperatura, humedad, presión atmosférica y vientos), a los que se deben añadir las nubes presentes (en cantidad y tipo) y el nombre de los fenómenos especiales (meteoros) que tengan lugar en el instante de la observación (precipitaciones, tormentas, etc.). Los elementos del tiempo no deben ser considerados como entidades separadas, dado que se hallan estrechamente relacionados entre sí. Es importante recalcar los conceptos de “tiempo” y de “clima”. Como se vió, el clima queda

definido por el conjunto de los valores que presentan los elementos del tiempo en una región a lo largo de un período de tiempo suficientemente largo, los que caracterizan el estado medio de la atmósfera en tal lugar. De la confrontación de ambos conceptos surge que el término tiempo se vincula siempre a un estado atmosférico transitorio (a veces de permanencia sumamente pequeña), que puede ser normal o no, para la región o lugar considerado, quedando definido por las observaciones realizadas en un instante determinado, mientras que para definir su clima deben emplearse datos promedio, que generalmente corresponden varias décadas de observaciones regulares y continuas.

El Ciclo Hidrológico y los Elementos del Tiempo La radiación solar es la fuente principal de energía de nuestro planeta y quien determina las características de todos los elementos del tiempo y del clima. En primer término la radiación solar suministra calor a la superficie terrestre; luego esta superficie se encarga de calentar el aire, determinando en él una cierta temperatura. Así por ejemplo, se forman las masas de aire caliente en las zonas ecuatoriales y tropicales, y frías en la polares. Las masas de aire y el calor solar se combinan para favorecer la evaporación de agua en los mares, ríos, áreas con cubierta vegetal y suelo húmedos. El vapor de agua así originado constituye la humedad del aire. Cuando el vapor de agua sufre procesos de condensación (por efecto de un ascenso o de un enfriamiento), se transforma en nubes (o en nieblas). Algunas nubes generan precipitaciones (lluvias, lloviznas, nieve, chaparrones, etc.), las cuales vuelven a aportar agua a los mares, ríos y suelos, así como a incrementar la humedad del aire. Por otra parte, las distintas masas de aire (frías y calientes), poseen diferentes peso y densidad, según su temperatura. En consecuencia, generan de alta y baja presión atmosférica, originando movimientos del aire, vientos,determinadas los favorecenzonas el traslado de las nubes, sino GESTION 2015

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también la evaporación del agua, el transporte de la humedad y el movimiento de las masas de aire. En resumen, el calor proveniente del sol es el único “combustible” que mueve a todo el engranaje

atmosférico del tiempo y del clima terrestre.

LA RADIACIÓN SOLAR Prácticamente toda la energía que produce y mantiene los movimientos y variaciones de la atmósfera llega del sol, en forma de radiación. En el sol, la energía radiante se genera a través de procesos los que el el elemento más simple se transforma en helio, por medio de reaccionesennucleares dehidrógeno, fisión. Lanzada a la velocidad de la luz, casi toda la radiación emitida se disipa en el espacio. Cada planeta recibe sólo una ínfima parte. Sobre la Tierra incide aproximadamente una media billonésima parte de la energía radiada por el sol. La longitud de onda de las radiaciones se mide en micrones (10-6 cm) o en ångström (1 Å = 10-10 m). Las ondas correspondientes a la radiación solar, en un 90%, representan un espectro de longitudes de onda comprendido dentro del rango de 0.2 a 2 micrones, o sea longitudes de ondas cortas. La luz solar visible se halla aproximadamente entre los 0.40 y los 0.75 micrones; por debajo se encuentra la radiación ultravioleta (de carácter químico) y por encima la infrarroja (de carácter térmico).

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN Como instrumental básico para medir la intensidad de energía radiante, cabe citar: a) Pirheliómetros.miden receptora la intensidad calorífica de la radiación solar que incide en forma perpendicular a unaque superficie b) Piranómetros.- que miden la intensidad calorífica de la radiación total, o sea la intensidad combinada de la radiación solar directa más la difundida por la atmósfera y las nubes, recibida sobre una superficie receptora horizontal c) Radiómetros.- que miden las radiaciones de cualquier longitud de onda, y que son los utilizados con mayor frecuencia en hidrología en estudios de evaporación y de fusión de nieve. En el primer caso, los datos adecuados a considerar son los correspondientes a las radiaciones incidentes de todas las longitudes de onda, debido a que la reflectividad del agua es relativamente constante. En cambio, la reflectividad de la nieve difiere considerablemente según las longitudes de onda de la radiación incidente, corta (solar) o larga (atmosférica). De allí que se requieran ambos datos por separado.

CALOR El calor de un objeto se puede transmitir por conducción, por convección y por radiación: La radiación.- es un proceso físico por medio del cual se transmite la energía en forma de ondas electromagnéticas. Esta transmisión se realiza sin la intervención de materia intermedia ponderable como portadora de energía, en línea recta y a una velocidad de 299.400 km/s. Por radiación, la energía solar se transmite, a través del vacío espacial hasta la Tierra, calentando su superficie. Por el proceso de conducción.-  la transmisión de calor tiene lugar a través de un medio físico y por contacto entre sus moléculas. De esta forma, el calor de la superficie terrestre calienta directamente el aire que se encuentra en la delgada capa de la atmósfera que se halla sobre ella. En la convección.- a transmisión de calor se produce en virtud del desplazamiento propio del aire calentado. De tal forma, el aire de superficie se expande y al ser más ligero que el de las capas superiores, se eleva para ser reemplazado por aire más frío, originando un transporte de calor desde las capas bajas hacia las de mayor altitud. Por otra parte, el calor que llega desde el sol se concentra principalmente en latitudes bajas, mientras que por el contrario, la radiación que se libera de la Tierra presenta una distribución mucho más uniforme. Es te equilibrio constituye la causa fundamental de los principales sistemas de vientos y corrientes oceánicas, que llevan el exceso de calor de las regiones tropicales hacia los polos.

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TEMPERATURA Mediante la temperatura se expresa numéricamente el efecto que en los cuerpos produce el calor originado por el balance entre la radiación recibida y la emitida. Los elementos básicos de constitución de la materia son los átomos y las moléculas. En un estado de agitación constante, es el nivel de su energía cinética (y por ende de la velocidad de las partículas), la que se mide como temperatura. Las escalas normales (centígradas), usan como referencia el punto de congelamiento y de ebullición del agua bajo condiciones específicas (0°C y 100°C respectivamente). Otra escala toma como valor cero el punto en el que, en teoría, cesa todo movimiento molecular y no hay energía interna, lo que ocurre a los  –273.15°C, constituye el punto cero de la escala Kelvin, cuyos grados tienen igual valor que en la escala centígrada. En las aplicaciones de la Hidrología y de la Ingeniería Hidrológica, interesa especialmente la temperatura del aire en las inmediaciones de la superficie terrestre.

MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Termómetros Las temperaturas extremas registradas cada día son de gran importancia a los fines prácticos, y se miden con los siguientes termómetros especiales: a) Termómetro de máxima.-  es un termómetro común de mercurio, con un estrechamiento

pronunciado en el capilar, cerca del bulbo. Cuando aumenta la temperatura, el mercurio en dilatación es obligado a pasar el estrechamiento por el volumen e mercurio encerrado en la bulbo, y así sigue haciéndolo hasta que alcanza la temperatura máxima. Sin embargo, cuando el aire y el depósito se enfrían, el mercurio se contrae y entonces queda detenido en el tubo por efecto del estrechamiento y sin poder bajar por sí mismo al no existir fuerzas del lado del tupo capilar que lo obliguen a ello. De esta manera, el mercurio permanece en el capilar, marcando la más alta temperatura a que llegó. Una vez que el observador efectúa la lectura de la misma (todos los días al atardecer), voltea el termómetro hasta que el mercurio del capilar se una nuevamente al contenido en el depósito. b) Termómetro de mínima.- es un termómetro de alcohol, que al igual que el anterior, se dispone

en posición horizontal. En el interior del capilar e halla una pequeña varilla metálica, a manera de índice. Cuando se eleva la temperatura, el alcohol se dilata sobrepasando al índice. Pero cuando aquella desciende, el líquido se contrae notablemente, de modo que el extremo libre de la columna de alcohol toca el índice, el que es arrastrado por la tensión superficial del menisco del alcohol.  Alcanzada la temperatura mínima y cuando nuevamente aquella vuelva a aumentar, el índice será dejado atrás por el líquido, marcando el punto más bajo que ha sido alcanzado. En horas de la mañana, luego de anotar la temperatura mínima, el observador inclina el termómetro y lleva al índice hasta el menisco. Termógrafos El termógrafo es un instrumento inscriptor que registra de modo continuo la temperatura del aire. La parte esencial del mismo puede ser de dos clases. En el primer tipo, un tubo metálico curvado y fijo en uno de sus extremos, de sección elíptica, se llena de alcohol; al elevarse la temperatura, el alcohol se dilata y tiende a enderezar el tubo, movimiento que se registra mediante dispositivos adecuados. El segundo sistema consiste en dos láminas de metales diferentes solidarias y curvadas, con un extremo fijo. Dado que la lámina externa es de un metal que se dilata más que el interno, cualquier aumento de temperatura tiende a aumentar la curvatura del par metálico y cualquier descenso a enderezarlo. El registro de los movimientos así producidos permite el conocimiento de los valores térmicos en forma continua, constituyendo una gráfica que se conoce como termograma.

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Presentación de Datos Térmicos a) Temperaturas Extremas.- los valores de las temperaturas máximas y mínimas absolutas (ya sea diarias, mensuales, anuales o par un período de años determinado), resultan directamente de las mediciones efectuadas. b) Temp. Extremas Medias Mensuales.- las temperaturas máximas y mínimas medias mensuales se calculan como las medias aritméticas de los correspondientes valores diarios. c) Temp. Extremas Medias Anuales .- las temperaturas máximas y mínimas medias anuales se calculan como las medias aritméticas de los correspondientes valores mensuales. d) Temperatura Media Diaria.- en la práctica, la temperatura media verdadera, definida por la ordenada media de los termogramas, no se calcula, habiéndose establecido convencionalmente considerar como temperatura media diaria, a la que resulta de aplicar algunos de los siguientes criterios:   Sumar y promediar las temperaturas leídas leídas en tres horarios preestablecidos (en la la República Argentina, a las 8, 14 y 20 horas, o las 9, 15 y 21, de acuerdo al huso horario vigente en cada caso). Calcular la media aritmética de de las las temperaturas extremas diarias, método que o  resulta muy sencillo y es el aplicado por el Weather Bureau de los EE.UU.   La diferencia de estos procedimientos simplificativos con el valor exacto, es de algunas décimas de grado. o

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e) Temperaturas Medias Mensuales.- son las medias aritméticas de las temperaturas medias diarias f) Temperaturas Medias Anuales.- son las medias aritméticas de las temperaturas medias mensuales.

LA HUMEDAD ATMOSFÉRICA  Aunque invisible, en la atmósfera existe siempre vapor de agua. La mayor o menor cantidad en que el mismo se halla presente, tiene importantes consecuencias, tanto meteorológicas y climáticas, como hidrológicas. En efecto: a) El vapor de agua absorbe muy fácilmente las radiaciones térmicas: por lo tanto, al aire húmedo se calienta más que el aire seco bajo la acción directa de los rayos solares. b) El vapor de agua, ya sea al formarse o al condensarse, produce variaciones apreciables en la temperatura del aire. c) La cantidad de vapor de agua existente en la atmósfera regula la velocidad con que se evapora el agua desde la superficie terrestre y la de los mares. d) El vapor de agua, por su condensación o congelamiento, produce numerosos e importantes fenómenos meteorológicos, tales como: nubes, niebla, lluvia, nueve, granizo, rocío, etc. e) Desde el punto de vista agrícola, el vapor de agua regula la desecación de los suelos, influye en la velocidad de transpiración de las plantas y provoca o no la ap aparición arición de las plagas agrícolas .

TENSIÓN DE VAPOR Todo gas ejerce una presión debida a la energía cinética de sus moléculas. En una mezcla, cada gas ejerce una “presión parcial” independiente de los otros gases. La presión parcial ejercida por el vapor de agua se llama tensión de vapor. Si la presión total del aire húmedo contenido en un recinto es pT, y se extrajera del mismo todo el vapor, la presión remanente, debida entonces únicamente al aire seco sería pe, inferior a pT. La diferencia de presiones es la tensión de vapor:

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e = pT − pe  La cantidad máxima de vapor de agua que puede existir en un espacio dado es función de la temperatura y prácticamente independiente de la existencia de otros gases. Cuando un determinado espacio contiene la cantidad máxima de vapor de agua para una temperatura dada, se dice que el espacio está saturado. La expresión usual de aire saturado es por ende incorrecta, pues significa realmente que el espacio está saturado. La tensión de vapor de saturación es la presión ejercida por el vapor en un espacio saturado y es desde el punto de vista práctico, la má máxi xi ma tens tensión ión de vapor pos ible a una tempe temperatura ratura dada dada.  Existe una ligera variación de la tensión de saturación con la presión atmosférica, pero tan pequeña que puede despreciarse. Se produce sobresaturación si en un espacio existen más moléculas de vapor que la cantidad necesaria para saturarlo, lo que puede ocurrir cuando desciende la temperatura, retrasándose la condensación. La tensión de vapor expresada en milibares (mb) o en hectopascales (hPa), puede calcularse por la expresión experimental:

donde: e tensión de vapor, mb ó hPa es tensión de saturación correspondiente a th, mb ó hPa pa presión atmosférica, mb ó hPa ta temperatura del aire, °C th temperatura del termómetro húmedo, °C

Tensión de Vapor de Saturación Tal como se expresa en el apartado anterior, la máxima cantidad de vapor de agua que puede contener un espacio de aire, depende de la temperatura a que se halla el mismo: mientras mayor se aquella, mayor será dicha cantidad de vapor de agua. La Figura 5 indica gráficamente la forma de la ley de variación.

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Los valores correspondientes a la tensión de vapor saturado es (en mb o hPa), en función de la temperatura del aire t (en °C), puede calcularse con suficiente aproximación mediante:

1 bar = 1000 milibares 1 mm Hg = 1.33 milibares

ÍNDICES DE HUMEDAD  Humedad Absoluta (Ha) Se denomina así a la masa de vapor de agua, medida en gramos, que hay en un metro cúbico de aire. Humedad Relativa (Hr) Si “es” es la tensión del vapor de agua saturante a la temperatura de la partícula de aire

considerada, se denomina humedad relativa al cociente:

La humedad relativa es el índice que mejor da cuenta de la sensación fisiológica de humedad y de los efectos de una atmósfera húmeda sobre los cuerpos que se encuentran en su seno.

Punto de rocío Gotas de agua condensada en una tela de araña. Gotas de agua condensada en una tela de araña. El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condensar el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha. Para una masa dada de aire, que contiene una cantidad dada de vapor de agua (humedad absoluta), se dice que la humedad relativa es la proporción de vapor contenida en relación a la necesaria para llegar al punto de saturación, expresada en porcentaje. Cuando el aire se satura (humedad relativa igual al 100%) se llega al punto de rocío. Para el cálculo se puede utilizar esta fórmula:

 

 = Punto de rocío. Pr  =

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 

Celsius   grados  Celsius T = Temperatura en grados 

 

H = Humedad relativa.

 

LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA CONCEPTO El aire, además de ser elástico y expansible, es también un cuerpo pesado. En la atmósfera, las capas superiores presionan sobre las capas inferiores comprimiéndolas. Para que exista equilibrio en una masa dada de aire, es necesario que la fuerza elástica del aire sea igual a la presión que soporta por el efecto de las capas superiores. En estas condiciones, se denomina presión atmosférica en un punto dado, a la presión, igual en todas las direcciones, que la masa de aire ejerce sobre la superficie de los cuerpos que se hallan en su seno, y ubicados en ese punto. Esta presión es igual a la tensión elástica o fuerza expansiva del aire en dicho punto. En física se define una presión como el cociente entre la acción de una fuerza y la unidad de superficie sobre la cual actúa, cualquiera sea la posición de esa superficie. Por lo tanto la presión atmosférica es numéricamente igual al peso de una columna de aire que tenga como base la unidad de superficie sobre actúa, ydecomo altura, la de la atmósfera. Siendo el peso de una columna de airelaelque producto su volumen, constante, por su peso específico, se comprende que al variar éste, también cambiará la presión. El peso específico del aire oscila entre amplios límites debido a los cambios de temperatura ambiente, estado hidrométrico, altitud, etc.

UNIDADES La fuerza ejercida por la atmósfera puede ser valorada, como todas las fuerzas, en gramos, kilogramos dinas, Newton, etc. Como unidad de presión se toma la que se produce sobre un centímetro cuadrado de superficie, en condiciones preestablecidas (a nivel del mar y a 0°C de temperatura) y a la que se denomina atmósfera. Una manera muy generalizada para explicar su valor, es la que se deriva del conocido experimente de Torricelli, indicándola por medio de la altura de la columna de mercurio que equilibre dicha presión, la que expresada en milímetros, en iguales condiciones, alcanza de 760. Teniendo cuenta ellavolumen que surge de las dimensiones indicadasuny valor el peso específico delen mercurio, mencionada columna equivale a una presión de:

En lugar de mercurio, podría usarse para la determinación de la presión atmosférica cualquiera otro líquido (agua, glicerina, petróleo, etc.) y se obtendrían resultados equivalentes, con la diferencia que el tubo a emplear sería mucho más largo, con lo que resultaría de difícil manejo. Por ejemplo, la altura de la columna de agua necesaria para equilibrar la presión atmosférica, a nivel del mar, sería, teniendo en cuenta que el mercurio tiene una densidad 13.5959 veces mayor que la del agua:

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En la 8va Reunión de la OMM se decidió utilizar como unidad de presión el Pascal Pa correspondiente a la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades (SI), pero dado que la misma resulta demasiado pequeña para su uso en meteorología, se fijó su múltiplo, el hectopascal hPa como unidad de presión presión,, que posee el mismo valor numérico que el milibar. En definitiva resultan las siguientes equivalencias:

MEDICIÓN DE LA PRESION Los instrumentos destinados a la medición de la presión atmosférica son los barómetros. En meteorología son dos los tipos comúnmente empleados: los barómetros de mercurio y los aneroides. El barómetro utilizado en la mayor parte de las estaciones meteorológicas argentinas es el barómetro Fortín, perteneciente al primer tipo (de mercurio). Se trata de un instrumento muy sensible y frágil, por lo que siempre se lo instala en el interior del edificio de la estación meteorológica. Consta esencialmente de un tubo de vidrio de unos 90 cm de largo y con un diámetro interno de 12 mm, que se encuentra parcialmente lleno de mercurio (ver Figura 3). Su extremo superior está cerrado y el otro extremo descansa sobre una cubeta con mercurio, equilibrándose, de acuerdo con los principios conocidos de la física, el peso de la columna de mercurio contenida en el tubo, con la fuerza que la presión atmosférica ejerce sobre la superficie libre del mercurio de la cubeta. El tubo va protegido, lo mismo que la cubeta, por una carcaza de metal. En la parte inferior existe un tornillo, llamado de enrase, que en el momento de efectuar la lectura de la presión, hace desplazar la superficie libre del mercurio de la cubeta, hasta llevarlo al nivel cero del instrumento. En la parte superior del tubo, exteriormente, hay una escala graduada en milibares (o su equivalente, hectopascales) y en milímetros, junto a la cual ubica un vernier con escala propia. Mediante el desplazamiento del mismo hasta la parte superior de la columna de mercurio, puede efectuarse la lectura de la presión atmosférica con la precisión de 0.05 mmHg. Junto al tubo metálico va adosado un termómetro común, cuya lectura es utilizada para la corrección de la presión por temperatura.

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Barógrafos Su funcionamiento se basa en el principio que sustenta a los barómetros aneroides, en los cuales el elemento sensible que capta las variaciones de presión es una cápsula metálica herméticamente herméticamente cerrada, de la que se ha extraído parcialmente el aire (ver Figura 3).  A fin de que la presión presión atmosféri atmosférica ca no aplaste lla a cápsula, en su iinterior nterior se col coloca oca un resorte metálico que mantiene separadas ambas caras. Cuando aumenta la presión atmosférica, la cápsula se comprime ligeramen ligeramente, te, y cuando aquella disminuye, la cápsula aumenta de tamaño. Estos movimientos se transmiten a través de un sistema de palancas hasta un indicador a aguja, que sobre una escala registra el valor de la presión. En los barógrafos, las variaciones de presión se captan a través de una sucesión de 8 a 10 cápsulas aneroides colocadas en serie, para logra una adecuada amplificación de aquellas, y que transmiten el valor de la presión a un dispositivo registrador, el que a su vez inscribe la curva de presión en una banda adosada al tambor giratoria, dando lugar a un registro continuo, al que se denomina barograma.

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