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FISICA DE LA ATMOSFERA Introducción y Presentación de Trabajos Profesora: Ana Burgos Departamento de Física Aplicada Universidad de Valladolid ✓ La atmosfera terrestre La atmósfera es la envoltura gaseosa que cubre un cuerpo celeste. Cada cuerpo celeste tiene una atmósfera de características part...

FISICA DE LA ATMOSFERA Introducción y Presentación de Trabajos Profesora: Ana Burgos Departamento de Física Aplicada Universidad de Valladolid ✓ La atmosfera terrestre La atmósfera es la envoltura gaseosa que cubre un cuerpo celeste. Cada cuerpo celeste tiene una atmósfera de características particulares Los límites de la atmósfera Terrestre son imprecisos. Se podría decir que alcanza los 1000 km aunque el 75% de su masa está por debajo de los 11 km ✓ La Física desempeña un papel importante en las Ciencias Atmosféricas Mecánica clásica Sistema de referencia no inercial: fuerza centrífuga y de Coriolis 𝐹𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟 = −𝑚𝛺 𝑥 Ω𝑥 𝑟Ԧ Movimiento de masas de aire en los ciclones (borrascas) Ciclón en la costa sureste de Islandia Septiembre 2020, desde 1971 no se registraban cinco ciclones tropicales activos al mismo tiempo (Centro Nacional de Huracanes de EEUU) Termodinámica ✓ Variables termodinámicas del aire ✓ Ecuación de estado ✓ Procesos termodinámicos de cambios de temperatura, presión y volumen ✓ Procesos de cambio de fase, fundamentalmente condensación y evaporación Mecánica de Fluidos Hidrostática Medida de la presión atmosférica con el barómetro de Torricelli Aplicando el principio de Pascal a los puntos superior e inferior (A) de la columna de mercurio: Los puntos A y B tienen igual presión al estar situados a la misma altura; como pB es la presión atmosférica, pA también lo es A nivel del mar, la altura del la columna de mercurio es 760 mm; según esto: 𝑝𝑎𝑡𝑚 = 13600 𝑘𝑔 𝑚 𝑥 9.8 𝑥 0.76𝑚 = 1.013𝑥105 𝑃𝑎 3 2 𝑚 𝑠 Hidrodinámica Ecuaciones de Navier-Stokes Las fuerzas que actúan sobre una parcela de un fluido se dividen en dos clases: las que actúan a distancia, como la gravedad, y las que actúan por contacto con las partes contiguas, como las fuerzas de presión y la debida a la viscosidad. Las fuerzas de viscosidad no fueron modeladas adecuadamente hasta bien entrado el siglo XIX (en lo cual participo Claude Navier, Augustin Cauchy, Siméon Poisson, Adhémar Barré de Saint-Venant y George Gabriel Stokes) Bust of Claude Louis Marie Henri Navier, from the collection at the École Nationale des Ponts et Chaussées (Paris) Las ecuaciones de N-S predicen el comportamiento de los llamados fluidos newtonianos. Un fluido newtoniano es aquel cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo Campo vectorial de velocidades v(r,t) en una región del espacio George Gabriel Stokes Incógnitas: la velocidad v (r, t) y la presión p(r, t) El huracán Matthew, que se paseó por el mar Caribe del 28 de septiembre al 10 de octubre de 2016, no fue pronosticado hasta cuatro días antes de estas fechas, y entonces solo se le asignó una probabilidad del 70%. En la imagen, el huracán el 4 de octubre de 2016. ∇ = (∂/∂x,∂/∂y,∂/∂z) es el operador gradiente, ∇·v es la divergencia del campo vectorial v Δ es el operador de Laplace Δ = ∇·∇ «LAS POSIBILIDADES DE PREDECIR EL FUTURO DE UN SISTEMA MECÁNICO SE BASAN EN LAS ECUACIONES DE MOVIMIENTO» ‘El problema es que desconocemos una solución general para ese tipo de sistemas de ecuaciones, que los matemáticos llaman no lineal de segundo orden’ Mecánica Cuántica Interacción de partículas procedentes del exterior con la materia (atmósfera) ✓ Las colisiones de los rayos cósmicos con moléculas y átomos del aire pueden afectar a la estructura electrónica del átomo o al mismo núcleo. Lo primero es una ionización, lo segundo una reacción nuclear ✓ La R.C. primaria son partículas masivas de alta energía (hasta 3×1020 eV) en general procedentes de fuera del Sistema Solar, en su mayoría p y ⍺. ✓ Las partículas que alcanzan la superficie terrestre procedentes de las reacciones nucleares se denominan R.C. secundaria (electrones, fotones, muones,…) Historia de los RC: “En 1912 Victor Hess realizó tres medidas llevando un electrómetro de Wulf en un globo aerostático hasta una altitud de 5300 m. Observó que la ionización era 4 veces superior que en el suelo. Hess descartó el Sol como fuente, haciendo medidas durante un eclipse casi total. En 1913 y 1914, Werner Kolhörster confirmó los resultados de Hess midiendo el aumento de la ionización hasta una altitud de 9 km. Actualidad: Aunque se conocen bien los rayos cósmicos de baja energía, los orígenes de los rayos cósmicos de alta energía es un enigma científico todavía. Estudiando las propiedades de los rayos cósmicos de alta energía, se espera aprender más acerca de sus fuentes y sobre los procesos físicos que permiten a la naturaleza acelerar partículas a energías un millón de veces superiores a las alcanzadas por los aceleradores de partículas construidos por el ser humano. Rayos cósmicos https://www.sciencemag.org/news/2017/09/new-evidence-highest-energy-cosmicrays-come-beyond-our-galaxy • • • • • • Historia y descubrimiento Procedencia Interacción con la atmósfera Detectores de Rayos cósmicos Que es un blazar? …… New evidence that the highest energy cosmic rays come from beyond our galaxy By Adrian Cho Sep. 21, 2017 En esta representación, se muestra un poderoso blazar como origen del neutrino IC IC170922. The Pierre Auger Observatory (Argentina) includes 1660 water tanks like this one spread over an area five times bigger than the city of Chicago El Viento solar da lugar a otro tipo de interacción con la atmosfera. El viento solar es una corriente de partículas cargadas liberadas desde la atmósfera superior del Sol (corona solar) formada principalmente por electrones, protones y partículas alfa con energías entre 1.5 y 10 keV inferiores a las de los rayos cósmicos. Suelen dar lugar a ionización el Ciclo Solar y El Clima Espacial • https://www.nesdis.noaa.gov/con tent/una-guia-sobre-el-ciclo-solar-yel-clima-espacial • Sunspot Number | SILSO (sidc.be)(datos numéricos de actividad solar) • http://parhelio.com/rnsp.html (fichero numero de wolf) Esta imagen dividida muestra la diferencia entre un Sol activo durante el máximo solar (a la izquierda, captado en abril de 2014) y un Sol tranquilo durante el mínimo solar (a la derecha, captado en diciembre de 2019). Diciembre de 2019 marca el comienzo de un nuevo ciclo solar, la actividad del Sol aumentará una vez más hasta el máximo solar, previsto para 2025. Créditos: NASA / SDO Los átomos ionizados debido a las partículas procedentes del sol, se vuelven a reorganizar. En este proceso se emiten fotones lo que da lugar a fenómenos ópticos en la atmosfera superior: Fenómeno de AIRGLOW (luminiscencia nocturna) y Auroras Airglow visto desde la ISS (International Space Station) Fenomenos de Luminiscencia en la atmosfera: Air airglow, auroras Aurora and Airglow capturado desde la Estación Espacial Internacional ( NASA) http://www.atoptics.co.uk/highsky/airglow2.htm Airglow Spectrum - Green light from excited oxygen atoms dominates the glow. The atoms are 90-100 km high in the thermosphere. The weaker red light is from oxygen atoms further up. Sodium atoms, hydroxyl radicals (OH) and molecular oxygen add to the light. The Hydroxyl airglow project is supported through the Australian Antarctic Science (AAS) Programme. Campo geomagnético En 2020, se actualizó el Modelo Magnético Mundial, que describe el campo magnético del planeta y en el que se basa toda la navegación moderna, desde los sistemas que dirigen los barcos en el mar hasta Google Maps en los smartphones. El campo magnético varia rápidamente y requiere actualizaciones. The model is produced at 5year intervals, with the current model expiring on December 31, 2024. World Magnetic Model - Calculators Page (noaa.gov) Atmósferas dentro del sistema Solar Venus Radio: 6052 km Gravedad: 8.9 m/s2 Dist. media al Sol: 108.2 millones km Tierra Radio: 6371 km Gravedad: 9.8 m/s2 Dist. media al Sol: 149.6 millones km Marte Radio: 3390 km Gravedad: 3.7 m/s2 Dist. media al Sol: 227.9 millones km Auroras no sólo ocurren en la Tierra; si un planeta tiene atmósfera y campo magnético, probablemente tiene auroras https://spaceplace.nasa.gov/aurora/en/ The NASA Hubble Space Telescope took this picture of an aurora on Jupiter using ultraviolet (UV) light. These swirls of red light are an aurora on the south pole of Saturn. Image courtesy of NASA/ESA/STScI/A. Schaller. ‘La Luna tuvo atmósfera, confirma la NASA’ Lunar Volcanism produced a transient atmosphere in the ancient moon. Earth & Planetary Science Letters (2017) The Mars Atmosphere ✓ Historia y características actuales de la atmosfera en Marte ✓ Datos referentes a los gases presentes (“El misterio sobre la presencia del gas metano en Marte se complica”) ✓ MAVEN Mission Overview The Mars Atmosphere and Volatile evolutioN (MAVEN) (NASA) ✓ misión Mars 2020 (NASA) Perseverance lanzado el 30 de julio de 2020 y aterrizó en Marte el 18 de febrero) MAVEN went into orbit around Mars in September 2014 ✓ The ExoMars Trace Gas Orbiter (ESA) ✓ Otras misiones… ✓ Futura vida en Marte? Mission ExoMars Perseverance Electromagnetismo y Óptica • Propagación de ondas electromagnéticas en un medio material ✓Fenómeno de scattering por partículas, ✓Fenómenos de reflexión, refracción, absorción entre dos medios Parhelios fenómeno óptico asociado con la reflexión/refracción de la luz, producto de una gran cantidad de partículas de hielo en las nubes cirro. Arco Iris El papel fundamental de la Teledetección para observar la atmósfera European Space Agency (ESA) programs and missions in Meteorology MSG: The Meteosat Second Generation satellites (geostationary orbit) collect detailed imagery of Europe, Africa and parts of the Atlantic and Indian Ocean every 15 minutes, for operational use by meteorologists. Launched on an Ariane 5 from Kourou (Guayana F.) MetOp : MetOp-C was launched into orbit on 7 November 2018 on top of a Soyuz rocket, 9 radiometers, (polar orbit) Observación del sistema Tierra-atmosfera desde el espacio Meteosat SPOT Landsat ISS International Space Station Velocidad orbital: 27000 km/h Altura de órbita: 400 km Periodo de la orbita: 91 min Astronauts working and living on the Station experience 16 sunrises and sunsets each day. La tierra desde el espacio en directo (meteosat.com) ✓ Hechos destacados en la actualidad DISMINUCION DEL OZONO ESTRATOSFERICO Y AUMENTO DE LA RADIACION UV ✓ Alrededor de 1980 se descubrió la desaparición de gran parte del ozono estratosférico en el polo sur durante la primavera. Se encontró que la causa era los clorofluorocarbonos (CFCs), una familia de gases sintéticos que era en ese momento muy usada para varios procesos industriales. ✓ Los avances en el conocimiento de las reacciones químicas en la atmosfera ha sido muy importante en el diseño de las políticas de control de los CFC y en paralizar el crecimiento del ‘agujero de ozono’ ✓ La disminución del contenido de ozono y el aumento de la radiación UV es algo que se ha ido observando sucesivamente en otras zonas del Planeta ✓ La disminución del ozono estratosférico tiene como consecuencia el aumento de radiación ultravioleta que atraviesa la atmosfera Medidas de radiación UV en Toronto: negro, radiación incidente en la cima de la atmosfera, azul, radiación que llega a la superficie en verano al mediodía, morado, coeficiente de absorción del ozono, rojo, espectro de acción eritematico. Este ultimo muestra como el potencial ‘sunburning’ de la radiación crece a medida que decrece la longitud de onda. Vemos pues que la zona espectral mas dañina para el ser humano es la denominada UV-B AGUJERO DE OZONO EN LA ESTRATOSFERA Los avances en el conocimiento de las reacciones químicas en la atmosfera ha sido muy importante en el diseño de las políticas de control de los CFC y en paralizar el crecimiento del ‘agujero de ozono’ • Ozono Estratosférico • Química del ozono estratosférico: formación y destrucción. • Papel de los CFCs • Medición y control en tierra • Misiones de satélites importantes para medir Ozono • Programas internacionales de seguimiento y control del ozono •….. Monday, October 21, 2019 How did the 2019 ozone hole compare to previous years? https://www.climate.gov/print/834604 (NOAA) Radiación Solar Ultravioleta. Medidas y tendencia Manejo de Series temporales DATOS AEMET (datos diarios, mensuales y anuales) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 1 255 509 763 1017 1271 1525 1779 2033 2287 2541 2795 3049 3303 3557 3811 4065 4319 4573 4827 5081 5335 5589 5843 6097 6351 6605 6859 7113 7367 0 Relacionado: Índice de Radiación Ultravioleta (UVI) CALENTAMIENTO GLOBAL Problema no resuelto, causado por la acumulación de CO2 y otros gases traza en la atmósfera debido principalmente a actividades humanas. “El aumento de la temperatura media del aire en el siglo XX es debido a actividades humanas” This graph illustrates the change in global surface temperature relative to 1951-1980 average temperatures (Source: NASA/GISS). Global Temperature | Vital Signs – Climate Change: Vital Signs of the Planet (nasa.gov) Earth’s global average surface temperature in 2020 tied with 2016 as the hottest year on record, continuing a long-term warming trend due to human activities. Temperatura y humedad atmosféricas a nivel de superficie ✓Distribución de temperaturas en el planeta y evolución debido al cambio climático ✓Medida de temperatura y humedad en tierra y con satélites ✓Red AEMET ✓Análisis descriptivo de series temporales de temperatura y humedad (valores máximos, mínimos, promedios, … con datos reales T0 60 40 20 0 -20 Evolución horaria de la Temperatura en superficie en Madrid CO2 en la atmósfera • Origen y evolución CO2 en la atmósfera • Situación actual y regulación • Política internacional • Cambio Climático • Misiones que observan CO2 (Atmospheric Infrared Sounder (AIRS)y Orbiting Carbon Observatory (OCO-2/3) The OCO-3 instrument will look down on Earth from ISS Japanese Experiment Module- Exposed Facility (JEM-EF) OCO-3 uses spare parts left over from the build of OCO-2 Datos a partir de World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG) https://gaw.kishou.go.jp/ Gases traza: metano (CH4) y óxido nitroso (N2O) Mediciones en tierra Estabilidad de metano de un dispositivo LI-7810. Plazo: 3 días. La línea azul muestra mediciones de 1 segundo; la línea naranja muestra promedios cada 50 minutos Unexpected future boost of methane possible from Arctic permafrost (AUGUST 20, 2018 NASA) La atmosfera y el Clima (Variables Climáticas Esenciales) https://gcos.wmo.int/en/essential-climate-variables Global Maps (nasa.gov) Tabla de Variables Climáticas Esenciales Que variables controlamos para saber si el clima esta cambiando? Aire Tierra Ocean o algunas variables atmosféricas esenciales 3 1 2 4 1 Temperatura 2 Precipitación 3 Radiación Solar 4 Presión del aire 5 Viento 6 Vapor de agua 7 Propiedades de las nubes 8 Composición del aire 6 5 8 7 Se pueden encontrar algunos datos en: Data.GISS: GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP v4) (nasa.gov) Papel de la atmósfera ➢ La atmósfera como fuente térmica a una temperatura que hace posible la vida, 15 ºC de media a nivel del mar. En la Luna, a mediodía hay unos 150 ºC y a media noche unos 150 ºC bajo cero. ➢ La atmósfera como sumidero térmico, que nos permite la transmisión de calor al ambiente (maquinas térmicas y maquinas frigoríficas) ➢ Función reguladora del clima: A través de su función de efecto invernadero y de la circulación del aire que tiende a compensar los desequilibrios de temperatura originados por la diferente insolación en distintas zonas del planeta. ➢ La atmósfera como fuente de energía: La energía cinética del aire (energía eólica) es transformada en energía eléctrica en un aerogenerador Aprovechamiento del viento para la producción de electricidad La energía cinética del aire (energía eólica) es transformada en energía eléctrica en un aerogenerador Torre para medir la velocidad del viento a diferentes alturas El histograma de la velocidad del viento se puede modelizar utilizando funciones analisticas, de las cuales la que mas se ajusta es la FUNCION DE DISTRIBUCION DE WEIBULL. Descripción de las variaciones del viento: distribución de Weibull (xn-drmstrre-64ad.dk) ➢ Función protectora: la atmósfera funciona como filtro protector (en la capas de la Ionosfera y Estratosfera) de forma que absorbe de manera selectiva las radiaciones que procedentes del exterior son perjudiciales para la vida en la tierra. Química del Ozono estratosférico: ciclo de CHAPMAN ➢ La atmósfera es un buen sumidero de residuos astronáuticos: volatiliza y nos protege contra la mayoría de los meteoritos ➢ La atmósfera es un sumidero de desechos de gases y otros residuos (aerosoles) que posteriormente el viento ayuda a dispersar y la lluvia arrastra hacia el suelo SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(l) 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO (Lluvia acida) Influencia de los aerosoles en la atmosfera Los incendios forestales como causa de tormentas severas Fenómenos del niño y de la niña Link para descargar datos entre ellos los del niño: Data.GISS: GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP v4) (nasa.gov) https://psl.noaa.gov/enso/data.html