Energía Atmosférica 1. Calor y Temperatura. Calor es la energía que cuando es transferida a un cuerpo, determina el aumento de temperatura en esté, y el flujo es solo en sentido de altas a bajas temperaturas. El calor y la temperatura son propiedades íntimamente relacionadas que no deben confundirse. La Temperatura se define como una medida del movimiento de agitación molecular. molecular. 2. Procesos de transmisión de calor. La ener energí gía a calo calorí rífi fica ca en el sist sistem ema a tier tierra ra-a -atm tmós ósfe fera ra,, pued puede e transmitirse por los procesos de conducción, de conducción, convección y radiación. radiación . Donde cada una de estas formas de transferencia de energía juega una importante función en los cambios del tiempo atmosférico.
I.
Conducción. La transmisión del calor es a través de un medio; por contacto entre las moléculas que componen al elemento. Cuanto más alta es la temperatura, tanto más rápida es la agitación molecular y el calor se transfiere de altas temperaturas hacia bajas temperaturas (ver Fig. 1); y cuanto más próximas estén las moléculas de la sustancia, tanto más rápida será la transferencia del calor por el proceso de conducción. Como el aire tiene densidad relativamente pequeña, se comporta como un mal conductor.
Fig. 1. La transferencia de calor desde la parte caliente de la punta de la varilla de metal a la parte fría extrema de esta por contacto molecular se llama conducción.
II.
Convección. Este proceso de transmisión de calor tiene lugar en virtud del propio desplazamiento del material que ha sido calentado. El desplazamiento es por diferencias de densidades, las que se originan cuando una masa de aire se encuentra sobre una fuente de calor, el aire que esta en contacto con la superficie se calienta por conducción y a medida que se encuentra más caliente, esta porción de aire se expande. Encontrándose más liviano (menos denso). Este proceso se denomina mezcla convectiva, el cual impide que las capas más bajas de la atmósfera sean muy calientes durante el día. La convección se define como la transferencia del calor como resultado del movimiento total de un fluido (agua o aire). Las corrientes del océano son resultados de la convección. En la atmósfera: • La superficie se calienta irregularmente. • Las moléculas del aire cerca de la superficie (muy cerca) atrapan energía por la conducción de la superficie caliente.
En la atmósfera (continuación): • El aire calentado se expande, llegando a ser menos denso que el aire circundante más frío. • El aire expandido, caliente, menos denso es más ligero y llega a flotar y se levanta. • Las burbujas grandes de aire caliente ascendiendo se llaman las térmicas. • El calor se transfiere hacia arriba. • El aire más frío, más densos serán los flujos de aire hacia la superficie para llenar el espacio. • Un aire más frío se calienta, etc. y el ciclo continúa (ver Fig. 2). • El aire en la burbuja caliente se levanta, luego se separará hacia fuera, después se hunde en los costados, y después se mueve de nuevo a la región calentada, etc. = circulación convectiva (es decir célula térmica) la parte convectiva de la circulación es el levantamiento y el hundimiento de la parcela de aire.
En la atmósfera (continuación): • El movimiento horizontal del aire se llama Advección. • El aire que sube se expande y se enfriará • El aire que baja se comprimirá y se calentará
Fig. 2. El desarrollo de una térmica. Una térmica es una creciente burbuja de aire que transporta energía en forma de calor hacia arriba por convección.
III.
Radiación Solar. El sol es la mayor fuente de todas las energías que el hombre consume. Donde no hay rayos solares no pueden crecer las plantas, por consiguiente no habría en la tierra leña, carbón, ni combustibles fósiles. Ya que este rige los procesos fundamentales que intervienen en la elaboración de materia orgánica mediante la fotosíntesis; la radiación constituye la fuente fundamental de energía del ciclo hidrológico, por que si no se evaporase el agua de la superficie de los océanos y mares, no habría ríos ni saltos de agua. El viento también se debe al calentamiento irregular de la superficie terrestre por los rayos solares. Así, se puede decir que el 99.97% de la energía utilizada en nuestro planeta es proporcionada por el sol. La energía transferida del sol hacia nuestros rostros o la superficie es llamada energía radiante o radiación. La energía viaja en ondas electromagnéticas. (ver Fig. 3) Las ondas viajan a la velocidad de la luz: c = 2.988 x 105 km/s ~ 300,000 km/s = 2.988 x 108 m/s La longitud de onda = = distancia del pico al pico de una onda dada en unidades de la longitud.
III. Radiación Solar (continuación) 1 mm = 1 micrómetro = 1 micrón = 10-6 m 1 nm = 10-9 m 1 A° = 10-10 m c
=
=
c/
donde: c = velocidad de la luz (m/s)
= longitud de onda (m)
=
frecuencia en Hertz (Hz = 1/s)
III. Radiación Solar (continuación) Cada objeto emite energía debido al movimiento rápido de los electrones en las molécul as. La longitud temperatura:
de
onda de
Temperatura más alta
la
emisión
depende
de
la
mayor movimiento, frecuencia más
rápida, onda más corta. Ejemplo: Ultra violeta (UV), energía más alta. Entonces, la energía en la región ultra violeta (UV) es más grande que la energía en la región i nfrarroja del espectro.
Fig. 3. La Radiación caracterizada según la longitud de onda. Conforme la longitud de onda decrece, la energía llevada por la onda aumenta.
3.
RADIACION SOLAR. El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo. Está energía se denomina energía radiante y está constituida en forma de ondas electromagnéticas. Es de idéntica naturaleza que las ondas luminosas, ondas de radio y otras, de las que solo se diferencia la longitud de onda (λ). Se propagan con la velocidad de la luz (300,000 km/s) y cuando inciden sobre un cuerpo no transparente (cuerpo opaco) a ellas, son absorbidas y simultáneamente la energía es transformada en energía calorífica. Cuando nos referimos a radiación solar nos referimos a la radiación que emite el sol.
Espectro Solar Aproximadamente el 99% de la radiación electromagnética emitida por el sol se encuentra dentro del rango de las longitudes de onda de 0.15 a 0.4 micras (ver Fig. 4). La distribución espectral de la radiación es como sigue: Radiación Ultravioleta: (9%). El ojo humano no responde a estas frecuencias (longitud de onda menores a 0.4 micras) • UVA (315–400 nm) • UVB (280–315 nm) • UVC (100–280 nm)
Espectro electromagnético
Fig. 4. El espectro solar es la gama o conjunto de todas las magnitudes de onda (λ), de la energía irradiada por el sol.
Radiación Visible (44%) Esta región del espectro electromagnético tiene longitudes de onda entre 0.43 a 0.75 micras (ver Fig. 5 y Fig. 6). La retina del ojo humano es sensible a estas longitudes de onda.
Fig. 5. Longitudes de onda (λ) de la radiación visible.
Fig. 6. Región de la radiación visible.
Radiación Infrarroja (45%) Esta región del espectro electromagnético longitudes de onda mayores a 0.75 micras.
tiene
La retina del ojo humano no es sensible a estas longitudes de onda.
