Unidad II Fuentes de energía calórica en la atmosfera terrestres
Entrada de energia calorica al sistema atmosférico
La atmósfera es diatérmana es decir, que no es calentada directamente por la radiación solar, sino de manera indirecta a través de la reflexión de dicha radiación en el suelo y en la superficie de mares y océanos.
Los fotones según su energía o longitud de onda son capaces de:
§ Fotoionizar la capa externa de electrones de un átomo (requiere una longitud de onda de 0,1 micras).
§ Excitar electrones de un átomo a una capa superior (requiere longitudes de onda entre 0,1 de micra y 1 micra).
§ Disociar una molécula (requiere longitudes de onda entre 0,1 de micra y 1 micra).
§ Hacer vibrar una molécula (requiere longitudes de onda entre 1 micra y 50 micras).
§ Hacer rotar una molécula (requiere longitudes de onda mayores que 50 micras).
La energía solar tiene longitudes de onda entre 0,15 micras y 4 micras por lo que puede ionizar un átomo, excitar electrones, disociar una molécula o hacerla vibrar.
La energía térmica de la Tierra (radiación infrarroja) 3 micras a 80 micras por lo que sólo puede hacer vibrar o rotar moléculas, es decir, calentar la atmósfera.
Energía absorbida por la atmósfera
En unas condiciones óptimas con un día perfectamente claro y con los rayos del Sol cayendo casi perpendiculares, las tres cuartas partes de la energía que llega del exterior alcanza la superficie. Casi toda la radiación ultravioleta y gran parte de la infrarroja son absorbidas por la atmósfera. La energía que llega al nivel del mar suele ser radiación infrarroja un 49%, luz visible un 42% y radiación ultravioleta un 9%. En un día nublado se absorbe un porcentaje mucho más alto de energía, especialmente en la zona del infrarrojo.
La energía calórica o térmica
Es aquella que poseen los cuerpos, cada vez que son expuestos al efecto del calor. También, se puede decir que corresponde a la energía que se transmite entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas, es decir, con distinto nivel calórico.
La transmisión de energía:
Flujo de fluidos: Se produce un transporte de cantidad de movimiento entre los puntos que avanzan a distintas velocidades.
Transmisión de calor: Se produce un transporte de energía entre regiones donde existe una diferencia de temperaturas.
Transporte de materia: Se debe al cambio de composición de una mezcla como consecuencia del desplazamiento de un componente desde regiones de mayor concentración hasta las de menor concentración
El calor se mide, al igual que el trabajo en joule. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición.
Radiación solar
Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. El Sol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de 6000 K en cuyo interior tienen lugar una serie de reacciones de fusión nuclear, que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la radiación solar. El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a la temperatura ya citada. La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el ozono. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado).
Ley de Steffan-Boltzman
• La emisión de la radiación, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta
Ley De Wien
• La longitud de onda de la radiación T° emitida por un cuerpo es inversamente proporcional a su T°
Ley del coseno:
• La intensidad de la radiación sobre un plano decrece en forma proporcional al coseno del ángulo de incidencia en relación a la normal
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La radiación solar en el planeta tierra
La mayor parte de la energía que llega a nuestro planeta procede del Sol. El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética. Estas radiaciones se distinguen por sus diferentes longitudes de onda. Algunas, como las ondas de radio, llegan a tener longitudes de onda de kilómetros, mientras que las más energéticas, como los rayos X o las radiaciones gamma tienen longitudes de onda de milésimas de nanómetro.
La radiación en el Sol es de 63.450.720 W/m². La energía que llega al exterior de la atmósfera terrestre sobre una superficie perpendicular a los rayos solares lo hace en una cantidad fija, llamada constante solar (1353 W/m² según la NASA) variable durante el año un ± 3% a causa de la elipticidad de la órbita terrestre.1 Esta energía es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda entre 200 y 4000 nm, que se distingue entre radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja.
Calor y temperatura
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.
Calentamiento del aire
La atmósfera no es, a pesar de lo que aquí se ha señalado, una mezcla de gases perfectamente diatérmana, es decir, gases que no se calientan al ser atravesados por los rayos solares. Lo que sucede es que el calentamiento del aire está relacionado con la mayor o menor presión atmosférica del mismo: cuanto más presión atmosférica del aire, mayor capacidad de absorber energía tendrá, es decir, que tendrá mayor capacidad de calentarse. Siendo el aire una mezcla compresible de gases, por lo que el propio peso de la atmósfera comprime el aire hacia la superficie terrestre, la mayor presión atmosférica se produce al nivel del mar, sin tener en cuenta las variaciones geográficas de dicho nivel. Así, la capa de aire que puede almacenar mayor cantidad de calor es la que se encuentra en contacto con la superficie terrestre. El resultado de ello es que el calor incidente sobre la atmósfera, pasa a través de ella sin calentar el aire de manera significativa aunque incrementándose ligera y gradualmente a medida que se van alcanzando las capas inferiores del aire, que son las que pueden absorber y retener mayor cantidad de energía térmica.
La temperatura del aire
Solo depende del aporte de la energía solar, la cual es absorbida en diferentes formas según las características de la superficie sobre la cual incide,. La temperatura del aire es la que circula a través de un abrigo meteorológico a una altura comprendida entre 1.25 y 2 metros sobre el nivel del suelo.
Variación de la temperatura con la altura
A través de la primera parte de la atmósfera, llamada tropósfera, la temperatura decrece normalmente con la altura. Este decrecimiento de la temperatura con la altura recibe la denominación de Gradiente Vertical de Temperatura, definido como un cociente entre la variación de la temperatura y la variación de altura, entre dos niveles.
En la tropósfera el G.V.T. medio es de aproximadamente 6.5° C / 1000 m. Sin embargo a menudo se registra un aumento de temperatura, con la altura, en determinadas capas de la atmósfera. A este incremento de la temperatura con la altura se la denomina inversión de temperatura. Una inversión de temperatura se puede desarrollar a menudo en las capas de la atmósfera que están en contacto con la superficie terrestre, durante noches despejadas y frías, y en condiciones de calma o de vientos muy suaves.
Superada esta capa de inversión térmica, la temperatura comienza a disminuir nuevamente con la altura, restableciéndose las condiciones normales en la tropósfera. Puede ocurrir que se produzcan inversiones térmicas, en distintos niveles de altura de la tropósfera inferior o media. Esto se debe, fundamentalmente, al ingreso de aire caliente en algunas capas determinadas, debido a la presencia de alguna zona frontal.
En términos generales, la temperatura decrece a lo largo de toda la tropósfera, hasta alcanzar la región llamada estratósfera (variable con la latitud y la época del año), donde la temperatura no decrece si no que permanece aproximadamente constante o, inclusive, aumenta con la altura
Movimientos verticales del aire.
Los procesos que se dan en la atmósfera en los que no existe intercambio calorífico con el exterior del sistema se llaman adiabáticos. En la atmósfera los ascensos y descensos del aire se producen tan rápido que no tiene tiempo de intercambiar eficazmente calor con el aire del entorno. Toda compresión adiabática lleva consigo un calentamiento y toda expansión en las mismas condiciones, un enfriamiento. Además, como la presión atmosférica desciende con la altitud, puede definirse que si una pequeña parte del aire "burbuja", asciende verticalmente, se encuentra con presiones menores, por lo que paulatinamente, se expande y enfría, y lo contrario ocurre al descender.
https://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_solar
https://html.rincondelvago.com/energia-calorica.html
https://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/differ_sp_06sep01.html
https://es.wikipedia.org/wiki/Diatermancia
https://html.rincondelvago.com/temperatura.html