Tema 1. Física de la Atmósfera PDF

1. Física de la Atmósfera 1435 Física de la Atmósfera  1. Física de la Atmósfera 1435 1.0 Introducción 1.1 Magnitudes físicas 1.2 Efectos de la humedad en el aire 1.3 Ley de los gases ideales 1.4 Capas de la atmósfera según su composición química 1.5 Cap...

1. Física de la Atmósfera 1435 Física de la Atmósfera  1. Física de la Atmósfera 1435 1.0 Introducción 1.1 Magnitudes físicas 1.2 Efectos de la humedad en el aire 1.3 Ley de los gases ideales 1.4 Capas de la atmósfera según su composición química 1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1.6 Otras capas de interés 1.7 Variación de la presión atmosférica con la altura 1.8 Variación de la densidad del aire con la altura 1.9 La atmósfera estándar (ISA) 1.10 La atmósfera real 1.11 Efectos del viento sobre la navegación del avión 1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 El vuelo convencional de las aeronaves se efectúa en el seno de una masa de aire que es la atmósfera, por tanto, resulta de enorme interés la definición e identificación de sus principales propiedades. Podemos definir de forma sencilla la atmósfera como la capa gaseosa que envuelve la tierra y que se mantiene unida al planeta por la fuerza de la gravedad. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 ¿hasta donde llega la atmósfera? No hay una frontera fija y discontinua entre la atmósfera y el espacio exterior. La atmósfera se hace cada vez más fina y delgada hasta que desaparece. Pero hay un límite atmosférico que es fundamental para fines aeronáuticos, denominado “Línea de Kármán’’. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 ¿hasta donde llega la atmósfera? Se define la línea de Kármán como el límite entre atmósfera y espacio exterior, a efectos de aviación y astronáutica. Esta definición es aceptada por la Federación Aeronáutica Internacional, que es una organización dedicada al establecimiento de estándares internacionales y reconocedora de los récords en aeronáutica y astronáutica. Su altitud es del orden de los 100km, pero se usa los 122km como referencia de línea de reentrada de sus naves espaciales. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 ¿hasta donde llega la atmósfera? Para muchos estudios, se considera que la atmósfera terrestre termina allá por donde se extienden las capas más externas de la Tierra: la termosfera y exosfera. (Este texto desarrolla más adelante estas capas) Si fuera así el concepto de atmósfera llegaría hasta unos 10.000 kilómetros sobre el nivel del mar. Allí la densidad del aire es extremadamente baja y se puede considerar despreciable. No obstante, hay autores que extienden este límite 40000 kilómetros o más. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 Nota importante: No se debe confundir el alcance de la atmósfera con el alcance del campo gravitatorio terrestre, no olvidemos que mucho más lejos de donde termina la atmósfera seguimos observando claros efectos del campo gravitatorio. Por ejemplo, los efectos causados sobre la luna. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 La atmósfera varía no solo por el lugar en que nos encontremos, definido por su longitud, latitud y altura, sino por el momento, el tiempo. Podemos decir pues, que una de las características de la atmósfera real es su variabilidad. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 El calentamiento de la superficie terrestre por el sol hace que la atmósfera en contacto con el suelo se caliente, o enfríe, variando su temperatura y se dilate o se contraiga, disminuyendo o aumentando su presión. Todo ello produce un movimiento del aire y si añadimos la rotación de la tierra y sus efectos, y la aceleración de Coriolis, etc. obtenemos unos vientos de fuerza variable. Otra de las características variables es la presión, que varía, no solo de un lugar a otro de la superficie terrestre, sino sobre todo con la altura. Y la densidad varía con la altura. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 ¿Qué es el efecto de Coriolis? La fuerza de Coriolis es una fuerza ficticia que aparece cuando un cuerpo está en movimiento con respecto a un sistema en rotación y se describe su movimiento en ese referencial. La fuerza de Coriolis es diferente de la fuerza centrífuga. El efecto Coriolis hace que un objeto que se mueve sobre el radio de un disco en rotación tienda a acelerarse con respecto a ese disco según si el movimiento es hacia el eje de giro o alejándose de este. Física de la Atmósfera  1.0 Introducción 1435 ¿Qué es el efecto de Coriolis? Un ejemplo de efecto Coriolis es el experimento imaginario en el que disparamos un proyectil desde el Ecuador en dirección norte. El cañón está girando con la tierra hacia el este y, por tanto, imprime al proyectil esa velocidad. Al viajar el proyectil hacia el norte, sobrevuela puntos de la tierra cuya velocidad lineal hacia el este va disminuyendo con la latitud creciente. La inercia del proyectil hacia el este hace que su velocidad angular aumente y que, por tanto, adelante a los puntos que sobrevuela. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 ¿Qué es una magnitud física? Una magnitud física es todo aquello que se puede medir. Las magnitudes no son mas que la característica de un objeto, sustancia o fenómeno físico que se puede definir de forma numérica. Al hablar de magnitudes podemos distinguir principalmente 2 tipos, las magnitudes fundamentales y las magnitudes derivadas. Las magnitudes fundamentales, elegidas por convención, son aquellas magnitudes que no se pueden definir en función de ninguna otra magnitud. Por otro lado, las magnitudes derivadas están definidas por medio de una o más magnitudes fundamentales. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Las magnitudes fundamentales, elegidas por convención, son aquellas magnitudes que no se pueden definir en función de ninguna otra magnitud. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 las magnitudes derivadas están definidas por medio de una o más magnitudes fundamentales. Física de la Atmósfera  1435 1.1 Magnitudes físicas los múltiplos y submúltiplos de cada una de estas unidades se expresan en potencias de 10. En la siguiente tabla se muestran los nombres de algunos de ellos. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Presión: La presión es una magnitud física escalar representada con el símbolo P, que designa una proyección de fuerza ejercida de manera perpendicular sobre una superficie, por unidad de superficie. La presión relaciona una fuerza de acción continua y una superficie sobre la cual actúa, por lo cual se mide en el Sistema Internacional (SI) en pascales (Pa), equivalentes cada uno a un newton (N) de fuerza actuando sobre un metro cuadrado (m²) de superficie. En el sistema inglés, en cambio, se prefiere la medida de libras por pulgada cuadrada (Pound-force per Square Inches). Esta unidad se conoce como PSI. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Presión En el estado gaseoso, las moléculas están en continuo movimiento y la interacción entre ellas es muy débil. Estas interacciones tienen lugar, cuando las moléculas chocan entre sí. Un gas se adapta al recipiente que lo contiene pero trata de ocupar todo el espacio disponible. La presión de un gas es la fuerza que ejercen sus moléculas sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Presión La presión atmosférica es el peso de la columna de aire que hay encima de cualquier superficie. Dicho más fácilmente, la presión atmosférica se debe a la altura del aire que tenemos encima de nuestra cabeza. Por lo tanto, es mucho menor en la cima de una montaña y mayor a nivel del mar. En cada punto de la atmósfera y en cada momento dado, habrá una presión determinada. La línea que une puntos de igual presión atmosférica se denomina isobara. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Unidades de medida de la presión atmosférica: La presión la podemos medir comúnmente en: Newtons por metro cuadrado (N/m²) = Pascal (Pa) Bares (bar) Milibar (mb) equivalente al HectoPascal (HPa) Atmósferas (atm), Pulgadas de mercurio (Hg o in. Hg) Libras por pulgada cuadrada (psi) Para pasar de unos a otros utilizamos las siguientes equivalencias: 1 bar = 100.000 N/m²= 100.000 Pa 1 atm = 101.325 N/m² = 760 mm Hg = 1013 milibares 1 atm = 29,92 inc. Hg (inch Hg - pulgadas de mercurio) 1 atm = 14,69 psi (pound square inch). Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Presión La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire que forma la atmósfera sobre la superficie terrestre. El valor de la presión atmosférica sobre el nivel del mar es de 1013,25 hPa. (14,7PSI) La presión atmosférica en un punto coincide densamente con el peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera. Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Temperatura La temperatura del aire es la manifestación de la energía cinética que poseen sus moléculas. Las moléculas se mueven de forma aleatoria produciéndose choques entre ellas ¿Por qué el aire tiene mayor temperatura cerca del suelo? El motivo es que la tierra absorbe mucho calor procedente del sol y lo cede, en parte a las capas de aire más cercanas. La cesión de calor a las capas cercanas representa ese aumento de la temperatura del aire. Por regla general, la temperatura: Disminuye al aumentar la altitud Disminuye al aumentar la latitud Aumenta al subir el sol (valor máximo entre las 15:00 y 16:00 horas) Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Temperatura Hay diversas escalas para medir la temperatura. En aeronáutica se emplean casi todas, bien con fines operacionales o técnicos Entre las principales destacan: Escala Celsius Escala Farenheit Escala Kelvin Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Densidad La densidad es una magnitud escalar que permite medir la cantidad de masa que hay en determinado volumen de una sustancia. En el área de la física y la química, la densidad de un material, bien sea líquido, químico o gaseoso, es la relación entre su masa y volumen; es designada por la letra griega rho “ρ”. La fórmula para calcular la densidad de un objeto es: ρ = m / v La densidad es una de las propiedades físicas de la materia, y puede observarse en sustancias en sus distintos estados: sólido, líquido y gaseoso. Según el Sistema Internacional de Unidades, las unidades para representar la densidad es la siguiente: Kilogramos por metro cúbico (kg/m³). Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Conversiones que debemos manejar con soltura en el sector aeronáutico: Temperatura: Debemos saber cambiar entre las 3 unidades estudiadas: Kelvin, °C, Fahrenheit. Presión: Debemos saber cambiar entre ATM, PSI, Pa, BAR, mmHG y Inch HG. Conversión: 1Bar = 14,5038PSI 100000Pa = 1BAR 1ATM = 101300Pa = 14,7PSI (Para el manejo de las unidades referidas a HG usamos conversión de longitudes y: 1ATM=760mmHG) Longitud: Debemos saber cambiar las siguientes unidades: Conversión pies - metros: 1m = 3,28084ft Conversión milla náutica - Kilómetro: 1Mi = 1,852Km Conversión Pulgada - Cm: 1” = 2,54Cm Velocidad: Debemos saber cambiar entre nudos y Km/h (La conversión es la misma que la de la milla náutica) Masa: Debemos saber cambiar entre libras y Kg. (1lb = 0,453592Kg) Física de la Atmósfera  1.1 Magnitudes físicas 1435 Aproximaciones “razonables” para exámenes tipo test: Temperatura: Podemos aproximar 5/9 con 0,5 sabiendo además que multiplicar por 0,5 es lo mismo que dividir entre 2 Podemos aproximar 273,15 con 273 ignorando los decimales Presión: Podemos aproximar 1ATM con 1Bar (como si fueran la misma unidad) Podemos aproximar 1Bar con 15PSI Longitud: Podemos aproximar 1m con 3,3ft Podemos aproximar 1Mi con 1,9Km Podemos aproximar 1” con 2,5Cm Velocidad: (Hacemos la misma aproximación que con la milla náutica) Masa: Podemos aproximar 1Lb con 0,5Kg Física de la Atmósfera  1.2 Efectos de la humedad en el aire 1435 ¿Cómo afecta la humedad a la densidad del aire? El vapor de agua tiene una densidad menor que el aire, luego el aire húmedo (mezcla de aire y vapor) es menos denso que el aire seco. Además, las sustancias, al calentarse, dilatan, luego tienen menor densidad. la densidad del vapor de agua a 1 bar y 100°C es de 0.6kg/m³. La densidad del aire a nivel del mar es aproximadamente de 1,25kg/m³. La humedad del aire se puede medir con un sicrómetro. Física de la Atmósfera  1.2 Efectos de la humedad en el aire 1435 Una masa de aire, con algún contenido de vapor de agua, si se enfría lo necesario, llegará a saturarse. Esa es la temperatura a la que se alcanza el "punto de rocío". La humedad en esas condiciones de presión y temperatura es la máxima que puede alcanzar. La humedad es muy importante en Aerodinámica ya que provoca cambios en la densidad del aire. Con la misma humedad relativa, una masa de aire más caliente contiene más cantidad de vapor de agua que una masa de aire más frío, y por tanto, la densidad de ese aire húmedo será menor. Física de la Atmósfera  1.2 Efectos de la humedad en el aire 1435 La densidad del aire disminuye con la humedad, por tanto, para mantener la misma sustentación necesitaremos: Aumentar la velocidad. Lo que implica más potencia Aumentar el ángulo de ataque. Lo que implica igualmente más potencia El rendimiento de los motores se verá afectado por el desplazamiento del aire (y por tanto de oxígeno) por el vapor de agua, con lo que queda menos oxígeno para la combustión. Los motores de pistón (hasta un 10%) se ven más afectados que los de turbina (solo un 3% como máximo). En cuanto a la hélice, esta produce empuje o tracción en función de la masa de aire acelerada por las palas de la misma, por tanto, es menos eficiente con densidad baja que con densidad alta. Física de la Atmósfera  1.3 Ley de los gases ideales 1435 Ley de Charles Corresponden a las transformaciones que experimenta un gas cuando la presión es constante. (Proceso isobárico) Ley de Gay-Lussac Corresponde a las trasformaciones que sufre un gas ideal cuando el volumen permanece constante. (Proceso isocórico) Ley de Boyle Corresponde a las transformaciones que experimenta un gas cuando su temperatura permanece constante. (Proceso isotermo) Física de la Atmósfera  1.3 Ley de los gases ideales 1435 Ley de Charles Manteniendo P=cte vemos como un aumento de temperatura aumentará el volumen que ocupa el gas. Ejemplo: Globo aerostático. Ley de Gay-Lussac Si V=cte podemos observar que al calentar un gas su presión aumentará. Ejemplo: Sobrepresión en cilindro de gas comprimido por aumento de temperatura. Ley de Boyle Cuando T=cte se observa que una disminución en el volumen que ocupa el gas implica un aumento de presión. Ejemplo: Compresor de aire de pistones. Física de la Atmósfera  1.4 Capas de la atmósfera según su composición química 1435 Composición del aire El 75% de masa atmosférica se encuentra en los primeros 11km de altura, desde la superficie del mar. Los principales elementos que la componen son el oxígeno (21%), el nitrógeno (78%) y otros gases (1%). El aire se puede considerar de composición constante hasta unos 100km de altura. Aunque básicamente formada por Nitrógeno y Oxígeno, no hay que olvidar al vapor de agua, causa de la formación de nubes, de las lluvias y del hielo. Todos estos factores son importantes porque influyen sobre las actuaciones, características o performances del avión, y consecuentemente sobre los pasajeros y tripulaciones. Física de la Atmósfera  1.4 Capas de la atmósfera según su composición química 1435 En la atmósfera terrestre se pueden distinguir dos regiones con distinta composición: Homosfera Ocupa los 100km inferiores y tiene una composición prácticamente constante y homogénea, sobre todo en la zona más baja, por las turbulencias y mezcla de gases que ahí existen. Heterosfera Se extiende desde los 100km hasta el límite superior de la atmósfera (unos 10.000km); está estratificada, es decir, formada por diversas capas con composición diferente. Física de la Atmósfera  1.4 Capas de la atmósfera según su composición química 1435 Composición media del aire seco de la homosfera: -Nitrógeno (N2) 78,083% -Oxígeno (O2) 20,945% -Argón (Ar) 0,934% -Dióxido de carbono (CO2) 0,035% -Otros: Neón (Ne), Helio (He), Criptón (Kr), Hidrógeno (H2), Xenón (Xe), metano (CH4), Ozono (O3), óxidos de Nitrógeno (NOx), etc. 0,003% A esto habría que añadir el vapor de agua, que no se ha puesto porque varía mucho de unas zonas (4%) a otras (1%). Física de la Atmósfera  1.4 Capas de la atmósfera según su composición química 1435 Composición de la heterosfera: GAS PREDOMINANTE ALTITUD Capa de Nitrógeno molecular (N2) Entre 100 y 200 Km. Capa de Oxígeno atómico (O) Entre 200 y 1000 Km. Capa de Helio (He) Entre 1000 y 3500 Km. Capa de Hidrógeno atómico (H) A partir de 3500 Km. Nótese como a mayor altura el gas predominante es más ligero (menor masa atómica) Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 La distribución o cambio de la temperatura del aire con la altura conduce a la división de la atmósfera en capas térmicas, que son las siguientes: Troposfera Estratosfera Mesosfera Termosfera Exosfera Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Troposfera Es la capa más próxima a la superficie de la Tierra. En esta capa es donde se mueven la mayoría de los aviones. Su espesor se extiende desde la superficie terrestre o marina, hasta una altitud variable de 11km de media aproximadamente (unos 36000ft), oscilando entre los 6 a 8 km en las zonas polares y los 18 a 20 km en la zona intertropical. A medida que se sube, la temperatura disminuye con la altitud, excepto en casos de inversión térmica, que siempre se deben a causas locales o regionalmente determinadas. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 La latitud del lugar determina el su espesor, así como si es de día o de noche. El sol calienta la tierra o el mar, que irradian calor al aire de encima. Además, el aire caliente al elevarse "mezcla" el aire de la troposfera. Esta capa contiene la mayoría del oxígeno, vapor de agua y polvo, por lo que ahí suceden los fenómenos de lo que llamamos tiempo meteorológico. Recordemos que el 75% de masa atmosférica se encuentra en los primeros 11km de altura, desde la superficie del mar, por tanto, la troposfera contiene la mayor parte del aire contenido en la atmósfera. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 El espesor medio de la troposfera, es decir, la distancia vertical entre el nivel del mar y la tropopausa es de 11km (36000ft aprox.) Pero como el aire en contacto con el suelo se calienta más en el Ecuador que en los polos, la tropopausa va aumentando su altura de los polos (6 a 8 km aprox.) al ecuador (18 a 20 km aprox.) Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 La frontera entre la troposfera y la capa siguiente, la estratosfera, recibe el nombre de tropopausa. La tropopausa se encuentra por tanto, de media, a 11Km de altura sobre el nivel del mar, lo que equivale a unos 36000ft (pies) aproximadamente. La mayoría de las aerolíneas viajan encima de la "tropopausa", donde no hay nubes, la temperatura es constante y sólo ocurren ciertas perturbaciones mínimas en el clima y el aire es menos denso, por lo que las aeronaves pueden ahorrar combustible al encontrar menos resistencia aerodinámica. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Entre la troposfera y la estratosfera se forman corrientes de chorro (jet-stream) que los aviones comerciales aprovechan para acortar los viajes. El jet stream es una corriente de aire en altura – situada entre los 7.000 y los 16.000 metros- que discurre a lo largo de varios miles de kilómetros. Tiene una anchura de cientos de ellos, un espesor de unos cinco kilómetros y puede alcanzar una velocidad de hasta 215 nudos (cerca de 400 km/h). Un avión comercial que aproveche estas corrientes adecuadamente puede ahorrar varios miles de euros en combustible en un vuelo transatlántico. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Estratosfera Su nombre obedece a que está dispuesta en capas más o menos horizontales (o estratos). Se extiende desde donde acaba la troposfera (11Km de media) hasta los 50 km de altitud. La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra. La temperatura en la estratosfera aumenta con la altura. Este aumento de la temperatura se debe a que los rayos ultravioleta transforman al oxígeno en ozono, proceso en el que se desprende energía calorífica: al ionizarse el aire, se convierte en un buen conductor de la electricidad y, por ende, del calor. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Estratosfera Es por ello que a cierta altura existe una relativa abundancia de ozono (ozonosfera) lo que implica también que la temperatura se eleve a unos -3°C o más. Sin embargo, se trata de una atmósfera de muy baja densidad. Alrededor de los 100.000 pies (30 Km) el oxígeno es tan escaso que no es posible mantener la combustión de los turborreactores. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Mesosfera Es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. Se extiende entre los 50 y 85 km de altura y contiene solo el 0.1 % de la masa total del aire. Es la zona más fría de la atmósfera, pudiendo alcanzar los -80 °C. En esta capa ocurren reacciones químicas de ionización del aire que son relevantes y estudiaremos con más detenimiento unas páginas más adelante cuando hablemos de la ionosfera. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Termosfera Se encuentra encima de la mesosfera. En la termosfera, que se extiende hasta los 600-800 km, la temperatura aumenta con la altitud, de ahí su nombre. En esta capa solo se encuentra el 0.1 % de los gases. A esta altura, el aire es muy tenue y la temperatura cambia con la mayor o menor radiación solar tanto durante el día como a lo largo del año. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden llegar a 1.500 °C e incluso más altas. Aunque la muy baja densidad del aire en esta zona de la atmósfera hace que la transferencia de calor convectivo a cualquier cuerpo que se sitúe en la misma sea prácticamente despreciable. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Exosfera La última capa de la atmósfera de la Tierra es la exosfera (600/800 - 2.000/10.000 km). Esta es el área donde los átomos se escapan hacia el espacio. Como su nombre indica, es la región atmosférica más distante de la superficie terrestre. Su límite superior está relativamente indefinido. Es la zona de tránsito entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario. Física de la Atmósfera  1.5 Capas de la atmósfera según su distribución de temperaturas 1435 Exosfera En esta capa la temperatura prácticamente no varía (aunque el concepto popular de temperatura no tiene mucho sentido ya que la densidad es despreciable) y el aire pierde sus cualidades fisicoquímicas. Es la zona en la que se encuentran los satélites artificiales de órbita alta. Física de la Atmósfera  1.6 Otras capas de interés 1435 Otras capas de la atmósfera terrestre que resultan de interés son la ozonosfera, la ionosfera y la magnetosfera. Ozonosfera. La capa de ozono, u ozonosfera, es la zona de la estratosfera terrestre que contiene una concentración relativamente alta de ozono. Se extiende aproximadamente de los 15km a los 50km de altitud, reúne la mayor parte del ozono presente en la atmósfera y absorbe del 97% al 99% de la radiación ultravioleta de alta frecuencia. Si no tuviéramos esta pantalla protectora, nuestra vida sería imposible. Física de la Atmósfera  1.6 Otras capas de interés 1435 Otras capas de la atmósfera terrestre que resultan de interés son la ozonosfera, la ionosfera y la magnetosfera. Ionosfera. Se extiende a partir de los 50 km de altura. Los átomos y partículas con carga eléctrica existen en tal cantidad que reflejan las ondas electromagnéticas, permitiendo las comunicaciones radio eléctricas terrestres por reflexión a muy largas distancias. La capa es muy activa desde el punto de vista eléctrico en horas nocturnas. En la ionosfera, las partículas cargadas son afectadas por los campos magnéticos tanto de la Tierra como del Sol. Aquí es donde suceden las auroras. Física de la Atmósfera  1.6 Otras capas de interés 1435 Otras capas de la atmósfera terrestre que resultan de interés son la ozonosfera, la ionosfera y la magnetosfera. Magnetosfera. Es la zona más externa de la ionosfera. La magnetosfera​ es una capa alrededor del planeta en la que el campo magnético de este desvía la mayor parte del viento solar formando un escudo protector contra las partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol. Física de la Atmósfera  1.6 Otras capas de interés 1435 Otras capas de la atmósfera terrestre que resultan de interés son la ozonosfera, la ionosfera y la magnetosfera. Magnetosfera – (Aurora) Las auroras, vienen originadas por el choque de las partículas eléctricas del viento solar con los campos magnéticos de la Tierra. El viento solar que emite el Sol de manera continua, y en todas direcciones, es atrapado por el campo magnético terrestre al llegar éste a la Tierra. Cuando esas partículas del viento solar llegan a la atmósfera, chocan con las moléculas del aire, desencadenando una generación de energía que se transforma en los famosos haces de luz conocidos como Auroras. Física de la Atmósfera  1.7 Variación de la presión atmosférica con la altura 1435 La disminución de la presión respecto a la altura es exponencial. Esto quiere decir que la disminución de presión con la altura es muy rápida. Física de la Atmósfera  1.7 Variación de la presión atmosférica con la altura 1435 La presión es la forma de presentarse la masa que tenemos encima, por tanto, la forma en que disminuye la presión con la altura nos va indicando cuanta masa queda por encima. Si la presión a nivel del mar son unos 1000 milibares (mb) y a 5,5Km se reduce más o menos a la mitad, quiere decir que queda la mitad de masa. Tras otros 5,5Km es decir a los 11Km se reducirá a la mitad de la que había a los 5,5Km, es decir la masa se reducirá un 25% más. Como la troposfera llega más o menos hasta esa altura (11km), podemos decir que contiene alrededor del 75% de la masa de la atmósfera. Física de la Atmósfera  1.7 Variación de la presión atmosférica con la altura 1435 La caída de presión es muy rápida, por tanto, no hay otro factor de los que ya hemos visto, tan importante como la altura, para que varíe la presión. La altura es el factor más importante para el cambio de presión y, el más importante para el cambio de la densidad. Física de la Atmósfera  1.8 Variación de la densidad del aire con la altura 1435 La altura es el factor más importante para el cambio de la densidad. La disminución de la densidad con la altura sigue una ley exponencial, al igual que ocurre con la presión. Física de la Atmósfera  1.9 La atmósfera estándar (ISA) 1435 Los profesionales de las diversas ramas de la aeronáutica necesitan conocer ciertos datos de las propiedades del aire para realizar estudios e implementar aplicaciones. Esta información se emplea de forma diversa, para analizar las actuaciones del avión en vuelo, o para determinar el empuje del motor en determinadas condiciones, así como para fabricar altímetros etc. La atmósfera real nunca permanece con valores constantes ni por lugar ni en tiempo. Surge entonces la idea de normalización, es decir, definir un tipo de atmósfera fijo, para que todas las actuaciones de los aviones y otros datos se puedan expresar con referencia a este modelo tipo. Física de la Atmósfera  1.9 La atmósfera estándar (ISA) 1435 La atmósfera estándar representa el intento de establecer una atmósfera de referencia para: - Para calibrar instrumentos. - Para reducir a unas condiciones comunes los datos de los ensayos en distintas condiciones atmosféricas. - Para calcular las actuaciones o performances de los aviones a distintas altitudes, durante su primer diseño, y en la operación después. La atmósfera estándar (ISA) es definida por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) en 1964. (La OACI es una agencia de la ONU que coordina las políticas en la aviación civil internacional). Física de la Atmósfera  1.9 La atmósfera estándar (ISA) 1435 Se denomina Atmósfera Estándar Internacional (ISA) a la distribución vertical teórica de presión, temperatura y densidad del aire, establecida por los acuerdos internacionales de la OACI. La Atmósfera Estándar Internacional (ISA) es un modelo que cumple las siguientes hipótesis: 1. Es aire seco y limpio (no hay humedad, ni polvo). 2. Se comporta como un gas perfecto. 3. Está sometida a la aceleración de la gravedad constante. La gravedad no varía con la altura (9,81 m/s²). 4. Valores iniciales al valor medio del nivel del mar, definidos y fijos. 5. La variación de la temperatura con la altura está definida por tramos. 6. Se calcula para la línea de latitud de 45° Con estas hipótesis, en la atmósfera estándar, conocida una variable cualquiera entre presión, densidad, temperatura y altura podemos calcular las otras tres. Física de la Atmósfera  1.9 La atmósfera estándar (ISA) 1435 El modelo de atmósfera estándar arroja temperaturas y presiones barométricas estándares para incrementos de altitud dados desde el nivel del mar, a efectos de la ingeniería de la aeronave. - En la atmósfera estándar la temperatura disminuye 2°C por cada 1000 ft hasta alcanzar los 36.089 ft = 11 Km. (-6,5°C/Km) - Por encima de este valor la temperatura se mantiene constante a -56,5°C, hasta los 65.000 ft = 20Km. - A partir de los 65.000 ft la temperatura aumenta 10°C/Km hasta los 32Km. - La presión disminuye 0,934 in.Hg por cada 1000 ft de altitud, aproximadamente. - Día estándar es el día teórico en el cual, a nivel del mar: la temperatura es 15°C la presión es de 29,92 in.Hg. (1013,25 hPa) (mb) (760 mm). La densidad p = 1 ,225 kg/m³ Velocidad del sonido de 340,3 m/s Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 La atmósfera real, la que tenemos en un instante determinado cualquier día del año, no coincide con la atmósfera estándar. Los efectos del calentamiento del sol, la rotación de la tierra, y otros factores difíciles de predecir, explican la falta de uniformidad en la atmósfera real. De la atmósfera real interesan factores de incidencia directa tales como: humedad del aire, viento y turbulencias. Los modelos de atmósfera estándar suponen que las masas de aire no tienen movimiento respecto a la tierra. Es obvio que no es así. Las masas de aire están continuamente en movimiento y el avión vuela en ellas, sufriendo sus efectos. El movimiento de las masas de aire se puede clasificar en dos tipos: a gran escala, es decir vientos, y movimientos locales del aire, que son las turbulencias. Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 Vientos Se denominan vientos a los movimientos del aire en el seno de la atmósfera. Los vientos siempre tienen dos componentes, una horizontal y otra vertical y ambas componentes se compensan entre sí, a distintas escalas. El calentamiento solar de la atmósfera no es uniforme, por lo que existen zonas más cálidas y, por lo tanto, de mayor presión (anticiclones) y zonas más frías donde la presión es menor (ciclones o depresiones). Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 Vientos El viento es una magnitud vectorial y por tanto tiene dirección y módulo. La dirección se expresa tomando como referencia el ángulo que forma la dirección del viento con el norte. El giro del viento entre 0° y 360° se toma en el mismo sentido de las agujas del reloj (dextrógiro). La intensidad es la velocidad del viento. En aeronáutica se expresa en nudos, es decir, millas náuticas por hora. El instrumento para medir la intensidad del viento se denomina anemómetro. El viento se debe, entre otras, a estos factores: N: North (Norte) 1. Diferencias de presión entre masas de aire S: South (Sur) 2. Gravedad terrestre E: East (Este) 3. Curvatura de las isobaras W: West (Oeste) 4. Rotación de la tierra 5. Fricción del aire con la superficie terrestre Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 Orientación magnética y pistas de aterrizaje Los números en la pista de aterrizaje, conocidos como designadores, indican el rumbo de la pista, siempre en grados magnéticos y redondeado a la decena. Por ejemplo, si el rumbo magnético es 73º, la pista será designada con los números 07. Los designadores, por tanto, solo pueden variar entre 01 y 36. En los aeropuertos de mayor tamaño, en los que puede haber una o más pistas paralelas, se utilizan también letras. Se utilizará la letra L (left) para designar a la pista situada más a la izquierda; y la letra R (right) para la ubicada más a la derecha. Y en el caso de haber tres pistas paralelas, se utilizará la letra C para nombrar a la pista de aterrizaje central. El número en la pista se puede leer en la orientación en la cual nos acercamos a la pista para realizar el aterrizaje. Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 El aeropuerto de Sevilla por ejemplo tiene orientación Este-Oeste. Si entramos por la cabecera 09 tenemos orientación de 90° que corresponde al este. Si entramos por la cabecera 27 tenemos orientación 270° que corresponde al oeste. Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 Turbulencias La turbulencia es el movimiento local de masas de aire. Son movimientos de aire a pequeña escala en los que hay cambios rápidos de presión y velocidad. Pueden presentarse en días soleados por el calentamiento desigual de los distintos tipos de superficie, agua, tierra, arbolado, y por los cambios de altura con los que se encuentre un viento que en principio era horizontal. La turbulencia moderada representa, normalmente, tan solo efectos de incomodidad para la tripulación y pasaje. La turbulencia severa produce esfuerzos adicionales en la estructura del avión y puede llegar, incluso a hacer difícil la lectura de instrumentos en cabina. La turbulencia muy severa compromete la seguridad del avión tanto en su aspecto de control como estructural. Puede producir la pérdida de control de la aeronave e incluso, la desintegración estructural de la misma. Física de la Atmósfera  1.10 La atmósfera real 1435 Ráfagas La ráfaga, sea en la dirección que sea, supone siempre un cambio repentino de la velocidad relativa del aire respecto al avión lo que produce un cambio brusco de las cargas aerodinámicas y una respuesta inesperada de la aeronave. Un caso particularmente violento son las ráfagas, como las que podemos encontrar en los bordes de una tormenta con ráfagas verticales ascendentes o descendientes. Sin embargo, el sobrevuelo de una tormenta puede hacerse en una atmósfera en relativa calma. Un efecto no menos importante es el efecto sobre la variación de la altura de vuelo, por efecto de las corrientes verticales. Física de la Atmósfera  1.11 Efectos del viento sobre la navegación del avión 1435 En vuelo sin viento, la ruta sobre el suelo descrita por el avión es igual al rumbo. (A- B) Pero normalmente hay viento y además variable dependiendo del nivel de vuelo. El viento desplazará el avión de su rumbo y la ruta verdadera descrita sobre el suelo diferirá del rumbo mantenido: A-C. Si ponemos el rumbo sacado de la carta de navegación y no tomamos medidas, llegaremos al punto C que no es el que queríamos alcanzar. Si conocemos su dirección a la altitud de vuelo prevista, podemos tomar medidas para compensar el efecto transversal del viento que nos arrastra. Tendremos que variar el rumbo teórico (eje longitudinal) para alcanzar el punto B deseado. Física de la Atmósfera  1.11 Efectos del viento sobre la navegación del avión 1435 Aterrizaje Hay que contrarrestar la deriva generada por el viento, dando la impresión de que el avión vuela de lado, que tiende a echarnos al lado contrario del eje de pista, apuntando el morro del avión hacia el viento. Si se aplica el ángulo justo de corrección de deriva el avión realizará toda la aproximación "mirando" hacia el viento, pero siguiendo una trayectoria sobre el suelo perfectamente alineada con la pista. Física de la Atmósfera  1.11 Efectos del viento sobre la navegación del avión 1435 Otro factor a tener en cuenta será el tiempo que tardaremos en llegar, alargándose si el viento tiene una componente opuesta al rumbo teórico y acortándose si la componente es favorable, como es el caso de los vuelos que aprovechan las corrientes de chorro para ahorrar tiempo y combustible. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 Un altímetro es un instrumento de medición que indica la diferencia de altitud entre el punto donde se encuentra localizado y un punto de referencia; habitualmente se utiliza para conocer la altura sobre el nivel del mar de un punto. El altímetro barométrico es el más común de todos; su funcionamiento está basado en la relación entre presión y altitud. Toman como base de referencia el nivel del mar, pero su funcionamiento está condicionado a los cambios atmosféricos. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 El funcionamiento del altímetro está basado en los cambios de volumen que experimenta una cápsula cerrada, conteniendo gas a cierta presión, que son medidos mediante un mecanismo que traduce esos cambios en medidas de altitud, con respecto a una presión que se ha reglado mediante el sistema de reglaje que se usa para corregir la medida de altitud por los cambios de presión atmosférica (presión de referencia). Este dato de reglaje se obtiene de un barómetro instalado en el punto respecto del cual se desea hacer la medición. Lo que realmente marca el altímetro es la altura desde la correspondiente, a la presión de referencia, siguiendo los valores de presión de la atmósfera ISA. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 En la actualidad hay una tecnología que tiende a sustituir a la cápsula aneroide como sensor de variación de presión. Se trata de los sensores piezoeléctricos. Los sensores piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se les aplica una fuerza. Usando este principio se pueden utilizar estos sensores para muchos tipos de medidas, entre ellas las presiones tanto dinámicas como estáticas. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 La siguiente figura muestra la ubicación en la aeronave de las tomas de presión estáticas necesarias para el altímetro barométrico. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 Corrección del altímetro. Deberemos tener en cuenta las siguientes desviaciones: Desviación por la posición de las tomas de estática. Desviación por error del propio instrumento. Desviaciones de la atmósfera real respecto a la estándar. En atmósfera fría: se vuela más bajo de lo que indica el altímetro ya que la atmósfera se contrae, luego los niveles de presión bajan respecto a la atmósfera estándar. En la atmósfera caliente: que se expande, se vuela más alto de lo que indica el altímetro. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 Definiciones de altitud. Básicamente podemos distinguir entre: Altitud: Distancia vertical que existe entre un punto determinado y el nivel medio del mar. Elevación: Es la distancia entre un punto de la superficie de la tierra y el nivel medio del mar. Altura: Es la distancia vertical que existe entre un punto y una referencia determinada, normalmente el terreno o superficie por debajo de nuestra posición. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 Ajustes barométricos o de altímetro El ajuste barométrico o de altímetro consiste en "calar" en el altímetro una referencia de presión para que este indique altura, altitudes o niveles de vuelo (FL - Flight Level). Los aviones pueden medir su posición vertical en tres tipos de distancias, con 3 reglajes barométricos diferentes: Altitud (QNH): Distancia al nivel medio del mar. Altura (QFE): Distancia a una referencia (suelo) Nivel de vuelo (QNE): Distancia a una isobara estándar (1013 Mb) Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 QNE: Presión estándar al nivel del mar. Por encima de una determinada altitud denominada de transición (normalmente 6000 pies) los reglamentos aéreos establecen que todos los aviones vuelen con la misma presión de referencia. Esta presión: 29,92 (inch Hg) ó 1013,2 milibares ó hPa, es la correspondiente a la atmósfera tipo al nivel del mar. De esta manera, cualquier cambio en las condiciones atmosféricas afectan por igual a todos los aviones, garantizando la altura de seguridad que los separa. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 QNH: Presión al nivel del mar deducida de la existente en el aeródromo, considerando la atmósfera con unas condiciones estándar, es decir sin tener en cuenta las desviaciones de la temperatura real con respecto a la estándar. Normalmente las torres de control y las estaciones de seguimiento nos darán la presión QNH. La utilidad de esta presión de referencia se debe a que en las cartas de navegación y de aproximación a los aeródromos, las altitudes (de tráfico, de circuito con fallo de radio, obstáculos, balizas, etc.…) se indican respecto al nivel del mar. Con esta presión de referencia, al despegar o aterrizar el altímetro debería indicar la elevación del aeródromo. Física de la Atmósfera  1.12 La presión atmosférica y el altímetro barométrico 1435 QFE: Presión atmosférica en un punto de la corteza terrestre. Si calamos el altímetro con la presión QFE que nos dé un aeródromo, este marcará 0 al despegar o aterrizar en el mismo. Física de la Atmósfera Física de la Atmósfera - FIN 1435 Física de la Atmósfera