El Tiempo Atmósferico y la Hidrología - Laura Ibáñez Departamento de Irrigación-UACh

El Tiempo Atmósferico y la
        Hidrología

               Laura Ibáñez
               Departamento de
               Irrigación-UACh

METEOROLOGÍA vs.
               CLIMATOLOGÍA
Meteorología es una ciencia que estudia los fenómenos
atmósfericos para caracterizar el estado del tiempo en un
lugar determinado.
Climatología es la ciencia que estudia la clasificación,
osciliación y distribución de los climas sobre la superficie
terrestre.

 •Estudia la atmósfera terrestre desde la superficie de la tierra hasta una
 altura de 1600 km apróximadamente (la climatología solo la estudia hasta
 una altura de 30 m)
 •Está interesada en lo que ocurrirá dentro de las 24 o 48 horas siguientes (se
 interesa en la historia de la atmósfera de un lugar)
 •Pronóstica el futuro a plazos cortos de uno o dos días (pronostica el futuro
 con base a la información generada los últimos 30 años)
 •Es considerada una ciencia geofísica (es una ciencia geográfica)

TIEMPO ATMÓSFERICO

Es el estado momentáneo del conjunto de fenómenos
meteorológicos que se dan en un determinado lugar.
En un determinado lugar se puede decir: frío o cálido,
húmedo o seco, lluvioso o sin lluvia, con viento o
calmado. METEOROLOGÍA.

     ELEMENTOS DEL TIEMPO O CLIMA

Son el resultado de la acción conjunta de todos los
fenómenos meteorológicos. Algunos elementos son:
radiación solar, temperatura, presión atmósferica,viento,
evaporación, humedad atmósferica, nubosidad, precipitación,
fenómenos eléctricos, fenómenos ópticos, y fenómenos
acustícos (truenos)

CLIMA

Es el conjunto de los fenómenos meteorológicos que
caracterizan el estado medio de la atmósfera en algún
lugar.También se define como el conjunto de
fenómenos meteorológicos que se dan con mayor
frecuencia en un determinado lugar. Es una medida de
los valores normales y extremos de las variables
meteorológicas (p. ejem temperatura) registradas
durante una serie de años (30 o más). CLIMATOLOGÍA

 Factores del clima: modifican a los elementos
              del tiempo y del clima.
Altitud, latitud, distribución de tierras y aguas, corrientes
marinas, circulación general de la atmósfera, radiación solar,
relieve, la forma y movimiento de la tierra, vegetación, tipo
de suelo, orientación del relieve, exposición a viento

METEOROLOGÍA

•METEOROLOGÍA DINAMICA: movimiento de la atmósfera,
movimiento del calor y de la humedad
•METEOROLOGÍA FÍSICA: radiación solar, radiación
terrestre, temperatura, evaporación, condensación, nubes,
precipitación
•METEOROLOGÍA SIPNÓTICA: estudia estado de la
atmósfera en un tiempo determinado, predice estado del
tiempo

METEOROLOGÍA POR APLICACIONES
         EN LA INGENIERÍA

•METEOROLOGÍA AGRÍCOLA
•METEOROLOGÍA INDUSTRIAL
•METEOROLOGÍA TURÍSTICA
•HIDROMETEOROLOGÍA: Ciencia encargada de estudiar los
procesos atmósfericos que afectan los recursos hídricos de la tierra
ó estudio de las fases atmosféricas y terrestres del ciclo
hidrológicos y en especial sus interrelaciones.

El Tiempo Atmósferico y la
        Hidrología

            •La atmósfera
            •Radiación solar y terrestre
            •La temperatura
            •Vientos
            •Circulación General de la
            atmósfera
            •Humedad atmósferica
            •Agua Precipitable

LA ATMÓSFERA

La atmósfera terrestre ( del griego atmos=vapor y sphaira =
esfera), es una mezcla de gases llamada aire. En la
atmósfera estan en suspensión cantidades variables de
partículas sólidas y líquidas. Es la parte áerea que cubre la
superficie terrestre hasta una altura de 1600 km.

Funciones de la Atmósfera

•Actúa como un filtro protector contra las radiaciones ultravioleta,
gama y rayos X del sol.
•Regula la temperatura de la tierra. La propiedad de la atmósfera
es absorber y perder calor lentamente impidiendo calentamientos o
enfriamientos bruscos.
•Es una fuente de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, anhídrido
carbónico y de agua.

ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA

             TEMPERATURA

Estructura Vertical de la Atmósfera

En la capa más baja, la troposfera, la temperatura disminuye con la
altura en un promedio de 6.5 grados C/km. El aire en esta capa
esta muy mezclado debido a corrientes convectivas verticales. Casi
todas las nubes son encontradas en estas capas. Alcanza los18
km sobre las regiones ecuatoriales y de 7 a 8 km en los polos. Aquí
ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos; contiene casi
el 100% del vapor de agua que existe en la atmósfera. Constituída
principalmente de dos gases: nitrógeno y óxigeno.
La segunda capa es llamada la estratosfera u ozonosfera, tiene un
límite superior de 45 km. La temperatura es relativamente
constante en la parte baja, pero se incrementa con la altura. El
color que toma se atribuye a la absorción de la radiación
ultravioleta del sol por el ozono. Esta constituída principalmente de
ozono e hidrógeno. Aquí ocurren los vuelos de aviones
supersónicos. El aire solo se mueve horizontalmente.

Estructura Vertical de la Atmósfera

La mesosfera es la zona entre 45 y 80 km en la cual la temperatura
disminuye rápidamente con la altura, alcanzando apróx -95 grad. C
en la mesopausa (El punto más frío en la atmósfera). Aquí están
las nubes más altas. Los meteoritos se desintegran en estas capas
por la fricción con el óxigeno.
En la termosfera la temperatura aumenta con la altura, alcanzando
temperaturas de hasta 1000 g.c. Su espesor se extiende hasta los
1600 km. Mucha actividad eléctrica (ionosfera). Pierde densidad
gradualmente hasta que la atmósfera deja de existir.

PRINCIPALES GASES QUE
    COMPONEN LA ATMÓSFERA
           TERRESTRE
Componente   % en volúmen Concentración
             de aire seco en ppm de aire
Nitrógeno    78.084
Oxígeno      20.946
Argón         0.934
Neón         0.00182      18.2
Helio        0.000524      5.24
Metano       0.00015       1.5
Criptón      0.000114      1.14
Hidrógeno    0.00005       0.5

PRINCIPALES GASES VARIABLES
        EN LA ATMÓSFERA

Componente            % en         Concentración en
                      volúmen de   ppm de aire
                      aire seco
Vapor de agua         0-3
Anhídrido carbónico   0.0325       325
(CO2)
Monóxido de                        100
carbono
Anhídrido sulfuroso                0-1
Anhídrido nitroso                  0-0.2
Ozono                              0-2

VAPOR DE AGUA E IMPUREZAS
Desde el punto de vista de la Ing. Hidrológica el
componente más importante de la atmósfera es el
agua en forma líquida, sólida, pero más la gaseosa
(vapor de agua). Este componente, con las
condiciones adecuadas de temperatura y presion se
convertirá en precipitación.

El aire contiene también una cantidad variable de
impurezas tales como polvo, hollín, sales, smog y
microorganismos. Estos después se convertiran en
nucleos de condensación cuando se van agrupando
las gotas que finalmente caerán en forma de lluvia.

Cambios en la atmósfera

•Erupciones volcánicas: reduce radiación solar
•El Niño: cambia los patrones de precipitación
•Polvo y partículas sólidas: reduce radiación
•Sobrecalentamiento por efecto de los gases
invernadero, en especial del CO2
•Rompimiento de la capa de Ozono: uso
indiscriminado de sustancias llamadas
clorofluorocarburos (CFC)
•Lluvia ácida: nitrógeno y azufre. Industria
automotriz.

RADIACIÓN SOLAR Y
TERRESTRE

FORMAS DE CALENTAMIENTO DE LA
           ATMÓSFERA
•CONDUCCIÓN: contacto directo, especialmente entre
dos cuerpos sólidos. Despreciable en la atmósfera
porque el aire es un mal conductor pero es importante
en el suelo.
•RADIACIÓN: el calor se transmite a través de ondas
electromagnéticas, las cuales viajan a través del vacío.
Es la manera en que la tierra y la atmósfera se
calientan al recibir la energía solar.
•CONVECCIÓN: el aire que está en contacto con la
superficie del suelo, una vez que se calienta por
conducción y radiación, se eleva. El aire caliente se
mueve hacia arriba y el frío baja. (mov. vertical
circulatorio del aire ascendente y descendente dandole
así calor a la atmósfera).

RADIACIÓN
Es un proceso físico mediante el cual se transmite
energía en forma de ondas electromagnéticas. Las
ondas poseen dos características: longitud y
frecuencia.
 El sol es la principal fuente de energía para el planeta;
la radiación solar constituye el 99.97% de la energía
involucrada en los fenómenos meteorológicos (onda
corta). Otras fuentes de energía son la radiación
emitida por la tierra (onda larga).
La radiación solar influye enormemente en ciclo
hidrológico, en el cual los cambios de estado físico
(evaporación, evapotranspiración) requieren energía.

RADIACIÓN SOLAR Y
TERRESTRE
Radiación Solar = onda corta. Longitud de
onda 0.4 a 0.7 micrometros (400 a 700
nanómetros)
Radiación emitida por la tierra = onda larga
Longitud de 0.7 a 20 micrometros

Tipos de radiación solar

•Radiación química o ultravioleta: radiaciones con longitud de onda
pequeña (menor de 400 nm). Producen efectos menores en plantas y
animales y son absorbidos por las moléculas de ozono y oxígeno
que son quienes protegen a los seres vivos de los efectos nocivos de
los rayos ultravioleta.
•Radiación luminosa o luminica: es la única visible para el ojo
humano y su long. De onda varía de 400 a 700 nm. Constituye lo
que comúnmente llamamos luz. Es la más importante para cualquier
tipo de vida.
•Radiación térmica o infrarroja. Son las radiaciones cuya longitud
de onda es mayor a 700 nm. La mayor parte de esta radiación es
absorbida por el dióxido de carbono y el vapor de agua de la
atmósfera. Si llegara con toda su intensidad se calentaría la tierra

Espectro electromagnético:                         es el
espacio   ocupado     por    el    conjunto   de   ondas
electromagnéticas emitidas por el sol.

•Rayos gamma
•Rayos X
•Luz ultravioleta
•Luz Visible
•Rayos Infrarrojos
•Microondas
•Ondas de Radio y Televisión

RADIACIÓN DE ONDA LARGA
Tanto la superficie del terreno como la superficie libre del agua
emiten radiación, porque una propiedad de la radiación solar es
que al encontrarse con un cuerpo, es absorbida por este y emite a
su vez radiación con longitud de onda larga hacia la atmósfera.

La mayor parte de la radiación de onda larga emitida es absorbida
por el vapor de agua, las nubes y el dióxido de la atmósfera y una
porción es reirradiada como radiación atmósferica.

VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR A SU
PASO POR LA ATMÓSFERA TERRESTRE

RADIACIÓN
Del total de la radiación que llega a la atmósfera terrestre apróx. el
30% es reflejada al espacio principalmente por las nubes y
superficie terrestre. Un 19% es absorbida por las nubes y la
atmósfera y un 51% es absorbida por la superficie.
Radiación solar = radiación directa + radiación difusa = radiación
global. La directa es transmitida integra hasta el suelo. La difusa
es la que es reflejada o dispersa. La proporción de radiación
directa y difusa que recibe el suelo depende de la altitud del sol,
la absorción de la atmósfera, nubes, etc.

El método de cálculo de evapotranspiración de Turc es basado
directamente en información sobre radiación solar incidente o
radiación solar directa.

RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE
La radiación solar incidente (Ri) es aquella radiación solar
que llega directamente a la superficie (no es reflejada ni
dispersada) se calcula así (Armstrong)

                      n            a = 0 . 290 cos( latitud en grados )
      Ri = R A  a + b   
                      N            b = 0 . 550

Ri= Radiación solar incidente diaria para el mes, langleys/día
RA = radiación global incidente, langleys/día (tabla 3.2 y depende de la
latitud)
a y b = constantes empíricas
n = duración observada de las horas luz (medida con heliografo de
Campbell-Stokes) u horas brillo
N = número máximo de horas luz (tablas y depende latitud y del mes).
Langley = 1 cal/cm2; 1 cal =4.18 joules

EVAPOTRANSPIRACIÓN- MÉTODO DE TURC

                                   t 
                          ETP = a '
                                            (Ri + 50)
                                   t + 15 

                                                           langley=cal/cm2

 ETP = evapotranspiración potencial en mm
 t = temperatura mensual del aire en grados centigrados
 Ri= Radiación solar incidente media diaria del mes en langleys/dia
 a’=0.40 para meses de 30 y 31 días; =0.37 para febrero; 0.13 para intervalos de
 10 días
 NOTA: se hace una corrección a ETP para zonas áridas con el siguiente factor:

                                  50 − H .R. 
                              1+ 
                                  70 

Balance de energía entre la tierra y la atmósfera:
Radiación onda corta y radiación onda larga

EL BALANCE DE CALOR EN LA
          TIERRA

La Figura muestra que pasa a la energía de la tierra.
Aunque existe un balance de calor para el planeta
como un todo, no todas las partes estan en balance
radiactico.
Es el inbalance entre la energía que entra y la que sale
sobre la tierra que conduce a la creación de sistemas
de viento y corrientes en el oceano que actúan para
aliviar los excesos y deficits de calor.

Tormentas
 severas

CALENTAMIENTO DEL PLANETA
(TEMPERATURA)

Factores que influyen en la temperatura:

•Influencia de tierras y mares
•Influencia de la altitud
•Influencia de la latitud
•Nubosidad
•Estaciones del año

Variación estacional de la Temp

                        Julio

                                  T media en la sup.
                        Enero

Oceano y temperaturas

  El oceano actúa como almacen de calor. Existe una
  variación más grande de temps. sobre los continentes
  que sobre el oceano.
  También note que las isotermas se sumergen hacia el
  ecuador cuando van sobre el oceano en verano y se
  van hacia los polos en el invierno, indicando que el
  oceano es más frío que el continente en el verano y
  más caliente que el continente en invierno.

Maravillas de la
naturaleza

VIENTOS

Es el aire en movimiento horizontal debido principalmente
a las diferencias de temperatura existente entre dos
masas de aire, a las fuerzas de: presión, fricción, Coriolis,
gravedad; forma y movimiento de la Tierra. Generalmente
se le llama viento solo al componente horizontal del
movimiento del aire, pues el vertical es casi siempre
pequeño.
El viento es un regulador de la temperatura atmósferica ya
sin ellos los polos serían más fríos y el ecuador se
calentaría en forma inimaginable. Los vientos mueven a
las nubes y también arrastran los contaminantes
atmósfericos.

VIENTOS

En los procesos de evaporación y evapotranspiración el
viento lleva calor y vapor de agua hacia la superficie
evaporante o hacia afuera de la misma. El viento es un
componente esencial de las tormentas. Su velocidad se
mide con anemometros o anemografos y su dirección por
medio de veletas.

Fuerzas que originan los vientos

Las fuerzas que producen los vientos son
fundamentalmente: la de presión atmósferica (P), la de la
fuerza de Coriolis (c) y la de fricción (F).
•El viento se mueve por un gradiente de presiones. De
mayor a menor presión (isobara: une puntos de igual
presión). P
•La fuerza de Coriolis produce un efecto desviador en los
vientos (por rotación de la tierra). C.
•La fuerza de fricción (con la atmósfera) es muy pequeña
y cobra fuerza para altitudes mayores de 600 m. F

Balance de Fuerzas

VIENTOS

•IRREGULARES
 Huracanes o ciclones tropicales
Trombas
Tornados
 Vientos Locales: Barlovento y sotavento
•PERIÓDICOS
 Brisas Regionales: brisa de mar, brisa de tierra, brisa de valle, brisa de
                     montaña
 Brisas Continentales: monzones o estacionarios
•REGULARES (Circulación General de la Atmósfera)
 Alisios
 Oeste
 Polares

Circulación General de la atmósfera
Modelo Teórico

La circulación general de la atmósfera es la distribución
general media de los vientos sobre la superficie del globo.
La principal fuente de energía para los movimientos de la
atmósfera es el calentamiento solar.
El modelo teórico también puede llamarse de circulación
térmica y considera a la tierra como una esfera
homogénea sin rotación. Entonces debido a las
temperaturas progresivamente decrecientes del ecuador a
los polos, el aire del ecuador sería más caliente, se
dilataría y elevaría siendo reemplazado por aire frío
proveniente de los polos, entonces el viento seguiría los
meridianos funcionando como una celula convectiva.

Circulación General de la atmósfera

La circulación general de la atmósfera afecta el clima y en
especial la precipitación.
El modelo teórico anterior se ve modificado por el
movimiento de la tierra (oeste a este). La rotación origina
una fuerza desviadora llamada de Coriolis. Que hace que
los vientos se inclinen en la dirección NE-SO en el
hemisferio norte y NO-SE en el hemisferio Sur
Del esquema de la circulación general de la atmósfera se
indica que el aire se mueve de zonas de alta presión
(anticiclones ) a zonas de baja presión (ciclones)

DIFERENCIAS DE PRESIÓN, DETERMINANTES EN
LA CIRCULACIÓN GRAL. DE LA ATMÓSFERA

CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA

CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA

 La circulación general de la atmósfera ayuda a definir
   las zonas más lluviosas. Los desiertos se encuentran
   en las zonas de alta presión, especialmente
   alrededor de los 30 grados de latitud. Los climas
   húmedos se encuentran en aquellas regiones en las
   que existen movimientos ascendentes del aire como
   ocurre en las calmas ecuatoriales y en los cinturones
   de latitudes medias.

El Tiempo Atmósferico y la
        Hidrología

            •La atmósfera
            •Radiación solar y terrestre
            •La temperatura
            •Vientos
            •Circulación General de la
            atmósfera
            •Humedad atmósferica
            •Agua Precipitable

HACIA EL CONCEPTO DE
 AGUA PRECIPITABLE

                  •Presión atmósferica
                  •Humedad atmósferica
                  •Presión de vapor a
                  saturación
                  •Punto de rocío
                  •Humedad específica, qh
                  •Agua Precipitable

Presión atmósferica

Es el peso de la columna de aire que gravita sobre una
unidad de área. La presión (p) varía con la altura (z). A
nivel del mar (z=0) la presión atmósferica es de 1 bar
(=760 mm Hg).

                                   288− 0.0065z 
                                                      5.256

                       p = 1013. 2              
                                       288

 p = presión atmósferica en milibares
 z =altitud sobre el nivel del mar en metros

  Apróx. Varia 1 mb por cada 10 metros; valida
  hasta los 12,000 m

HUMEDAD ATMÓSFERICA
• Es la cantidad de vapor de agua que
  contiene la atmósfera. Esta varía del 0
  al 5% del volumen total de la
  troposfera y proviene principalmente
  de la evaporación de los oceanos;
  otra buena parte proviene de los
  lagos, ríos, manantiales, superficies
  húmedas, respiración y transpiración
  de los seres vivos.

IMPORTANCIA DE LA HUMEDAD
      ATMÓSFERICA
 • Es la responsable de la aparición de los
   hidrometeoros (nubes, lluvia, niebla, rocío,
   etc.)
 • Origina el agua dulce que mantiene la vida
   en la tierra
 • Regula la pérdida de calor que irradia la
   tierra, influyendo en el calentamiento y
   enfriamiento de la atmósfera
 • Representa una fuente de energía en forma
   de calor latente que se libera al formarse las
   nubes (condensación)

Formas de como se expresa la humedad
                   atmósferica

•   Presión ó Tensión de vapor a saturación, eS
•   Tensión de vapor actual, e
•   Humedad absoluta, HA
•   Humedad específica, qh
•   Humedad relativa, HR
•   Punto de rocío (temperatura punto rocío, Td)

Formas de expresar la humedad
            atmósferica
• Presión de vapor actual, e: es la presión que ejerce el vapor
  de agua contenido en un momento dado por el aire; indica
  la cantidad de vapor de agua que existe en el aire. Se mide
  en milibares o mm de mercurio.

• Presión de vapor a saturación, es : es la presión de vapor
  que ejercen las moléculas de vapor de agua contenidas en
  un volumen de aire cuando éste, contiene todo el vapor de
  agua que es capaz de contener. Existe una tabla que para
  cada temperatura, corresponde una es. Se mide en milibares
  o mm de mercurio.

Formas de expresar la humedad
           atmósferica
• Humedad absoluta: es el peso, en gramos del vapor de
  agua contenido en um m3 de aire, sin tomar en cuenta
  su temperatura, HA

• Humedad Específica: Es el peso en gramos del vapor de
  agua contenida en un kilogramo de aire.

                           e = Presión de vapor , mb
               e
 qh = 622                  p = presión atmósferica, mb
          p − 0.378 e
                           1 mm Hg = 1.3332 milibares

Formas de expresar la humedad
             atmósferica
•   Humedad relativa, HR: es el cociente que resulta de dividir la
    cantidad de vapor de agua que existe en el aire, e entre la
    cantidad máxima que puede contener a una cierta temperatura
    expresada en porcentaje de saturación

                e
           HR = × 100
               eS

• Punto de rocío: es la temperatura a la cual el vapor de agua
  de la atmósfera empieza a condensarse. Cuando la HR es
  del 100% se dice que el aire esta saturado y la temperatura
  a la cual alcanzo dicha saturación se le conoce como punto
  de rocío. Si la saturación se alcanza a t >= 0 g.c. la
  condensación es líquida de lo contrario es sólida
  (escarcha, nieve, granizo)

Estimación de la presión de vapor actual
  a partir de Psicrometro tipo Assman

   e = esh − 0.00066 × p × (Ts − Th )(1 + 0.00115 Th )

          Ts= Temperatura del bulbo seco, en g.c.
          Th= Temperatura del bulbo húmedo en g.c.
          esh = Presión de vapor a saturación para Th, en mb
          e = Presión de vapor , mb
          p = presión atmósferica, mb

             1 mm Hg = 1.332 mb

Temperatura a punto de rocío (Td)

T − Td = (14.55 + 0.114 T ) X + [(2.5 + 0.007 T )X ] + (15.9 + 0.117 T )( X )14
                                                    3

 T= Temperatura ambiente, oC
 Td= Temperatura del punto de rocío
 X = 1.0 - (H.R./100)
 H.R. = Humedad relativa

AGUA PRECIPITABLE, Wp

• Tirante en mm que resultaría de la condensación y
  precipitación de todo el vapor de agua contenido en la
  columna de aire. Aunque no existe en la naturaleza un
  proceso capaz de precipitar toda la humedad de una capa
  de aire, da una idea de la precipitación que pudiera llover.
  Se calcula por incrementos de presión o altura:

             po         p0
                                                   Las radio sondas
  W p = 0.01 ∫ q h dp = ∑ 0.01 q h ∆p
             pz         pz                         miden humedad
                                                   especifica

     qh = humedad específica media en cada
     intervalo, gr/kg
     p = Incremento de presión en mb
     Wp = Lámina precipitable en mm

ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA

             TEMPERATURA

RADIO SONDA METEOROLÓGICA

                     Mide temperatura,
                     presión y humedad
                     atmósferica con
                     sensores.

EL GLOBO PARA LA RADIOSONDA

                  La radiosonda se pega a un
                  globo de hidrógeno que se
                  elevará por la troposfera y
                  estratosfera baja (cuando
                  mucho 30 kilómetros hacia
                  arriba) en un tiempo no mayor
                  de 90 minutos. En tierra un
                  equipo recibirá la información
                  de los sensores de
                  temperatura, humedad y
                  presión.