Atmósfera e Hidrosfera: Introducción a las Capas Fluidas

Las capas fluidas de la Tierra, la atmósfera y la hidrosfera, son sistemas dinámicos e interconectados que regulan el clima global. Los fluidos principales son el aire y el agua, cuyas características definen procesos fundamentales como el ciclo del agua y la distribución del calor.

Sistema Dinámico y Caótico

Ambos sistemas se consideran dinámicos y, en gran medida, caóticos, influenciados por la energía solar, que impulsa su dinámica a través del contraste térmico.

Contraste Térmico en las Capas Fluidas

• Contraste (gradiente) térmico vertical: Variación de temperatura con la altitud.
• Contraste (gradiente) térmico horizontal: Variación de temperatura entre diferentes ubicaciones geográficas.

Estos contrastes térmicos distribuyen el calor por todo el planeta y amortiguan las diferencias extremas de temperatura.

Funcionamiento de la Máquina Climática

El clima funciona basado en gradientes y el comportamiento diferencial de la atmósfera y la hidrosfera:

a) Gradiente

• Concepto: Cambio de una propiedad a lo largo de una distancia o profundidad.
• Tipos: Temperatura, presión, densidad, humedad.

b) Comportamiento Diferente de Atmósfera e Hidrosfera

• Densidad.
• Compresibilidad.
• Movilidad.
• Capacidad de almacenar calor.
• Capacidad para conducir el calor.

c) Movimientos Verticales (por contraste térmico vertical)

• En el aire (convección).
• En el agua (circulación termohalina).

d) Movimientos Horizontales (por contraste térmico horizontal)

• Viento.
• Corrientes oceánicas.

La presencia de continentes dificulta el transporte de calor y humedad.

1. La Atmósfera

Definición

Envoltura de aire que rodea la Tierra.

1.1 Formación de la Atmósfera

• Origen del planeta: desgasificación.
• Actividad de volcanes.
• Actividad de seres vivos.
• Emisiones de la Hidrosfera.

1.2 Composición Atmosférica

A] Composición inicial

• Evolución de la atmósfera.

B] Composición actual

• Componentes mayoritarios.
• Componentes minoritarios:
  • Gases raros reactivos.
  • Gases no reactivos.
• Variables:
  • Vapor de agua.
  • Contaminantes.

1.3 La Energía en la Atmósfera

A] La radiación solar: el espectro solar

• Rayos X, rayos $\gamma$, u.v. (9%).
• Luz visible (42%).
• Rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio (49%).

B] La radiación terrestre

• Emite radiación infrarroja, que es:
  • Absorbida por la atmósfera.
  • Emitida al espacio.

1.4 Estructura de la Atmósfera

A] Troposfera

• Espesor.
• Capa sucia (donde ocurren la mayoría de los fenómenos).
• Fenómenos meteorológicos.
• Movimientos verticales y horizontales del aire.
• Gradiente vertical de temperatura.
• Capa aislante.
• Tropopausa: Temperatura $\approx -70 \text{ºC}$.

B] Estratosfera

• Espesor: desde tropopausa hasta estratopausa ($50 – 60 \text{ km}$).
• No existen movimientos verticales de aire, pero sí horizontales.
• No existen nubes.
• Capa de ozono.
• Temperatura: asciende hasta $0 \text{ºC}$.

C] Mesosfera

• Espesor: desde $50 – 60 \text{ km}$ hasta mesopausa ($80 \text{ km}$).
• Temperatura: $\approx -80 \text{ºC}$.

D] Ionosfera o Termosfera

• Espesor: hasta termopausa a $600 \text{ km}$.
• Absorción de radiaciones solares de onda corta (rayos X y rayos $\gamma$).
• Temperatura ($\text{Tª}$): $1000 \text{ºC}$.
• Campo eléctrico terrestre (ionosfera (+) – superficie terrestre (-)).

E] Exosfera

F] Magnetosfera

• Capa magnética.
• Filtra el viento solar: partículas de alta energía (protones y electrones).
• Cinturones de radiación de Van Allen.
• Auroras boreales.

1.5 La Presión Atmosférica

• Definición: Peso ejercido por la masa de aire atmosférico sobre la superficie terrestre.
• Unidades: Barómetro: $1 \text{ atmósfera} = 760 \text{ mm Hg} = 1013 \text{ milibares}$.
• Disminuye con la altura: $11 \text{ mb}/100 \text{ m}$.
• Isobaras (líneas de igual presión).

2. Función de la Atmósfera como Filtro Protector

A] Magnetosfera

Protege contra partículas cargadas de alta energía.

B] Ionosfera

• Absorbe las radiaciones de onda corta.
• Son absorbidas por $\text{O}_2$ y $\text{N}_2$, se ionizan, aumenta la $\text{Tª}$.
• Refleja las ondas de radio.

C] Estratosfera

• Ozono estratosférico: capa de ozono.
• Espesor variable.
• Transporte.
• Variaciones diarias y estacionales en función de la radiación solar.
• Absorbe la radiación u.v.
• Las reacciones están en equilibrio dinámico y aumentan la $\text{Tª}$.

3. Función Reguladora de la Atmósfera

• Ejerce una función reguladora sobre el clima: efecto invernadero.
• Cantidad de radiación incidente sobre la Tierra, que depende de:
  • Distancia al Sol, inclinación del eje, órbita, etc.
  • Estructura física y química de la atmósfera.
• Distribución latitudinal de la energía solar: la insolación depende de:
  • Tiempo de exposición.
  • Ángulo de incidencia.
• Diagrama de radiación incidente y reflejada.
• Albedo: Capacidad de una superficie para reflejar la radiación.
• Efecto invernadero:
  • Gases responsables: $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$.
  • Importancia: $\text{Tª}$ media: $15 \text{ºC}$.

4. Dinámica Atmosférica Vertical

4.1 Movimientos Verticales y Transmisión de Calor

A] Convección térmica

• Transmisión de calor del suelo a la atmósfera por convección (calor sensible).
• Provoca el ascenso del aire: movimiento convectivo o de convección.

B] Convección por humedad

• La evaporación del agua necesita $597 \text{ cal/g}$ (calor latente de vaporización).
• Al condensarse el vapor de agua se libera ese calor (calor sensible).
• La presencia de vapor de agua añade fuerza ascensional al aire.

C] Movimientos debidos a la Presión y a la Temperatura

• Isobaras.
• Borrascas: ascenso de aire caliente.
• Anticiclones: descenso de aire frío.

4.2 La Humedad Atmosférica

A] Humedad absoluta

• Definición.
• Relación entre la $\text{Tª}$ del aire y la cantidad de vapor admitida.
• Saturación del aire: condensación.

B] Humedad relativa

• Definición.
• Punto de rocío: $100\%$, condensación, nubes.

C] Fenómenos meteorológicos

• Rocío.
• Precipitaciones: lluvia, escarcha, nieve, granizo.
• Nubes:
  • Nimbos ($100-200 \text{ m}$).
  • Estratos.
  • Cúmulos ($600 \text{ m}$ a $5000 \text{ m}$).
  • Cirros ($7000-8000 \text{ m}$).
• Niebla.

4.3 Gradientes Verticales

Variación de $\text{Tª}$ entre dos puntos con una diferencia de altitud de $100 \text{ m}$.

A] Gradiente Vertical de $\text{Tª}$ ($ ext{GVT}$)

• Variación vertical en condiciones estáticas: $0.65 \text{ºC}/100 \text{ m}$.
• No es uniforme.
• Inversión térmica.

B] Gradiente Adiabático Seco ($ ext{GAS}$)

• Afecta a una masa de aire que se encuentra en desequilibrio térmico o bárico.
• Agua en forma de vapor.
• $1 \text{ºC}/100 \text{ m}$.

C] Gradiente Adiabático Húmedo ($ ext{GAH}$) o Saturado

• Si al ascender alcanza el punto de rocío, ocurre condensación.
• $0.3 – 0.6 \text{ºC}/100 \text{ m}$.
• Liberación del calor latente.

4.4 Condiciones de Estabilidad e Inestabilidad Atmosféricas

A] Condiciones de inestabilidad o convección

• Movimientos ascendentes de una masa de aire.
• $\text{GVT} > \text{GAS}$.
• El aire exterior se enfría más deprisa que el interior, este asciende.
• Disminuye la Presión ($ ext{P}$) en superficie, generando una borrasca.
• Afluencia del viento circundante.
• Se producen precipitaciones si la masa ascendente se condensa.

B] Condiciones de estabilidad o subsidencia

• Descenso de una masa de aire frío.
• Se va secando por calentamiento.
• En superficie aumenta la $ ext{P}$, generando un anticiclón.
• Vientos desde el centro hacia afuera, tiempo seco.
• $0 < \text{GVT} < \text{GAS}$.
• $\text{GVT} < 0$: inversión térmica:
  • Niebla.
  • La contaminación queda atrapada.
  • Subsidencias intensas en invierno.

5. Dinámica Atmosférica Horizontal

Impulsada por las diferencias en la irradiación solar y las diferencias de $\text{Tª}$, lo que genera movimiento del aire y transporte de calor entre zonas.

5.1 La Circulación del Viento y el Efecto Coriolis

a) Circulación

b) Trayectoria: no es rectilínea

• Condiciones topográficas.
• Efecto Coriolis.

c) Efecto Coriolis

• Es debido a la rotación terrestre de Oeste a Este.
• Es máxima en los polos y se anula en el ecuador.
• Móvil del polo $\text{N}$ al ecuador, se desvía a la derecha (Oeste).
• Móvil del ecuador al polo $\text{N}$, se desvía a la derecha (Este).
• Móvil del polo $\text{S}$ al ecuador, se desvía a la izquierda (Oeste).
• Móvil del ecuador al polo $\text{S}$, se desvía a la izquierda (Este).
• En el hemisferio Norte:
  • Anticiclones: giro del viento en sentido horario.
  • Borrascas: giro del viento en sentido antihorario.
• En el hemisferio Sur:
  • Anticiclones: giro del viento en sentido antihorario.
  • Borrascas: giro del viento en sentido horario.

5.2 La Presencia de Masas Continentales

• Impedimento para el transporte de calor:
  • Frenan los vientos y las corrientes oceánicas.
  • Poseen mayor amplitud térmica.
• Desigual calentamiento continente/océano.
• Continentes de latitudes medias y altas:
  • Fuerte enfriamiento invernal, anticiclón permanente.
  • Ausencia de lluvias y fuertes heladas y nieblas.
• La amplitud térmica anual es mayor en el hemisferio Norte que en el Sur.
• Contraste térmico diario en las costas: brisas marinas:
  • Día: brisa del mar a la tierra.
  • Noche: viento de la tierra al mar.

5.3 Circulación General de la Atmósfera

• Intenso calentamiento ecuatorial: situación ciclónica.
• Bajas temperaturas polares: situación anticiclónica.
• El efecto de Coriolis impide que la trayectoria sea continua.
• Células (celdas) de convección: 3 en cada hemisferio.
• Zona de bajas presiones ecuatoriales.
• Zona de anticiclones subtropicales ($30\text{º}$): vientos del $\text{O}$, alisios.
• Zona de borrascas subártica y subantártica (bajas presiones polares).
• Zona de anticiclón polar.

6. La Hidrosfera

6.1 Distribución del Agua

• Océanos: ($97.4\%$).
• Aguas continentales ($2.6\%$):
  • Glaciares: ($2.02\%$).
  • Aguas subterráneas: ($0.57\%$).
  • Lagos y ríos: ($0.01\%$).
• Atmósfera ($0.001\%$).
• Biosfera ($0.00004\%$).

6.2 Composición Química

• Agua con sustancias en disolución.

A] Salinidad

• Agua del mar: $35,000 \text{ p.p.m. (mg/l)}$ (cada $\text{kg}$ contiene de $34$ a $39 \text{ g}$ de sales).
• Aguas continentales:
  • Cantidad de sales: de $10 \text{ mg/l}$ hasta valores superiores a los del mar.

B] Gases disueltos

• Gases atmosféricos: $\text{CO}_2$ $31$ veces más soluble que el $\text{O}_2$.
• La solubilidad de los gases disminuye con el aumento de la $\text{Tª}$.

6.3 Características Físicas de los Medios Acuáticos

A] Propiedades físicas del agua

• Elevado calor específico, regulador del clima.
• $\text{Tª}$ de fusión y $\text{Tª}$ de ebullición, estados: sólido, líquido y gaseoso.
• La densidad varía con la $\text{Tª}$: densidad máxima a $4\text{ºC}$.
• Absorción de radiaciones: u.v., infrarrojo, luz visible.

B] Distribución de la luz con la profundidad

• Zona fótica:
  • En océanos con aguas muy claras: $100 – 150 \text{ m}$.
  • En lagos: como mucho $20 \text{ m}$.
• Zona afótica.

C] Termoclina

• Concepto:
  • La absorción solar se produce en los primeros metros.
  • La $\text{Tª}$ va disminuyendo lentamente.
  • Al llegar a un punto, en pocos metros, la $\text{Tª}$ desciende mucho.
  • Termoclina: zona donde se produce ese descenso rápido de $\text{Tª}$.
• Características:
  • Por debajo la $\text{Tª}$ desciende pero más lentamente.
  • Capas:
    • Epilimnion: agua más caliente y menos densa.
    • Hipolimnion: agua más fría y más densa.
  • Impide la mezcla de agua.
  • Por encima: pocos nutrientes.
  • Por debajo: poco oxígeno.
• Zonas:
  • Zonas tropicales: termoclina permanente.
  • Zonas polares: no existe.
  • Zonas templadas:
    • Termoclina en verano.
    • En invierno desaparece.

6.4 Función Reguladora de la Hidrosfera

• Constituye un mecanismo de transporte de calor muy eficaz:
  • Corrientes frías.
  • Corrientes cálidas.
• Es el principal amortiguador de los contrastes climáticos:
  • Entre distintas zonas de la tierra.
  • Diferencias entre las costas y los continentes.
• Interviene en el ciclo de los gases de efecto invernadero.
• Es el principal regulador del clima.

7. El Ciclo del Agua

• Es un sistema cerrado: intervienen todos los sistemas terrestres.
• Es una máquina térmica:
  • Fluido de elevado calor específico.
  • Transformación de la energía solar en:
    • Calor sensible: por convección.
    • Calor latente: por evaporación.
  • Elevada capacidad de transportar calor a través de todos los sistemas terrestres.
• Diagrama.

8. Dinámica de la Hidrosfera

8.1 Dinámica Oceánica

A] Corrientes superficiales

• Características:
  • Desplazamiento marcado por los vientos dominantes.
  • La trayectoria puede ser modificada por los continentes.
  • Trayectorias condicionadas por el efecto Coriolis.
• Tipos:
  • Corrientes frías del polo Norte.
  • Corriente circumpolar antártica.
  • Corrientes cálidas.

B] Corrientes profundas

• Se originan por:
  • Diferencias en la densidad del agua, circulación termohalina.
  • Enfriamiento invernal de las capas superiores, descenso, afloramiento de agua más profunda y cálida.
  • Evaporación elevada [salina], descenso del agua.
• Descenso dificultado por:
  • Aporte de agua dulce: hielo o río.
  • Precipitación $>$ evaporación.

C] Zonas de afloramiento

• Los vientos alisios provocan el desplazamiento del agua superficial.
• El agua se separa de la costa.
• Es reemplazada por agua profunda fría rica en nutrientes.
• Zonas de afloramiento:
  • Perú, California, Sahara, Kalahari.
  • Costas con corrientes en las que el agua se aleje de la costa.
• Zonas de gran producción.
• Importancia para la pesca.

D] El océano global

• Océanos y mares del planeta comunicados entre ellos.
• Influencia sobre el clima global.
• a) La cinta transportadora oceánica:
  • Corriente profunda que vuelve como corriente superficial.
  • En el trayecto de vuelta arrastra aguas cálidas y nubes, lluvias.
  • Regula el $\text{CO}_2$: el agua fría arrastra este gas, liberándolo en las zonas de afloramiento.
• b) El fenómeno del Niño (cada 4 o $5$ años por Navidad):
  • Los alisios amainan, no se produce afloramiento.
  • Lluvias en la costa Oeste de Suramérica.
  • Aridez en la costa Este de Asia.
  • No se conocen las causas.

E] Olas

• Movimientos del agua superficial originados por el viento.
• Tsunamis: causados por explosiones volcánicas y terremotos.

F] Mareas

• Resultado de los efectos gravitatorios producidos entre:
  • La Tierra, la Luna y el Sol.
• Cantidad: $2$ mareas altas y $2$ bajas diariamente.
• Diferencia de altura.
• Tipos:
  • Mareas vivas.
  • Mareas muertas.

8.2 Dinámica de las Aguas Continentales

A] Procesos

• a) Infiltración.
• b) Escorrentía.

B] Factores de los que dependen

• Tipo de precipitación:
  • Mucha agua en poco tiempo.
  • Mucha agua en mucho tiempo.
• Tipo de suelo:
  • Arenoso.
  • Arcilloso.
• Cantidad de vegetación.
• Pendiente.
• Actividades humanas:
  • Sobreexplotación, sobrepastoreo, incendios, deforestación, …
  • Producen desertificación.

C] Agua subterránea

• Formación de un acuífero.
• Circulación del agua subterránea.
• Nivel freático:
  • Zona de aireación.
  • Zona de saturación.
• Variaciones del nivel freático.
• Manantiales y surgencias.
• Enriquecimiento con agua de ríos y lagos que se infiltra en el terreno.

D] Balance hídrico de una cuenca hidrográfica

• a) Balance hídrico: Balance entre los aportes por precipitaciones y la salida por evapotranspiración, recargas subterráneas y corrientes superficiales.
• b) Diagrama hídrico: relaciona la evapotranspiración con la pluviosidad.
• c) Interpretación de un diagrama hídrico:
  • Rayas verticales: período de superávit de agua.
  • Líneas inclinadas a la izda.: utilización del agua.
  • Zona sin rayas: déficit de agua.
  • Líneas inclinadas a la dcha.: recarga de la reserva de agua.
• d) Utilidad:
  • Calcular las necesidades de riego.
  • Calcular los recursos de agua disponibles.
• e) Zonas áridas:
  • Características.
  • Localización.

E] Los ríos

• a) Origen de los ríos:
  • Surgencia de agua subterránea.
  • Encauzamiento de aguas salvajes.
  • Fusión de un glaciar.
• b) Hidrograma: representación de la variación del caudal con el tiempo.
• c) Régimen de un río.
• d) Coeficiente de caudal mensual: caudal medio mensual/caudal medio anual.
• e) Variación del caudal con el espacio: aumenta al acercarse a la desembocadura.
• f) Utilidad:
  • Predecir avenidas.
  • Tomar medidas adecuadas.
• g) Desembocadura:
  • Cuencas cerradas.
  • Mar: Estuarios y deltas.
• h) Caudal ecológico.

9. El Clima

9.1 Características

• Climatología.
• Clima: conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan la situación y el tiempo atmosférico en un lugar determinado.
• Calculado a partir de los valores medios recogidos durante $20$ o $30$ años.

9.2 Diagramas Climáticos (Climogramas)

• Gráficos termopluviométricos.
• Interpretación.

9.3 Tipos de Climas

9.4 Formación de Precipitaciones

• A] Convectiva.
• B] Orográfica: efecto Foehn.
• C] Ciclónica o frontal:
  • Frente frío.
  • Frente cálido.
  • Frente ocluido.

9.5 Tipos de Precipitaciones

• A] Lluvia.
• B] Nieve.
• C] Granizo.

9.6 Condicionantes del Clima en Nuestras Latitudes

A] El frente polar.

B] El chorro polar (Jet stream)

De Oeste a Este.

C] Dilatación del vórtice polar.

D] El clima de España

• a) Variaciones estacionales:
  • Invierno:
    • Desciende el anticiclón de las Azores, anticiclón continental.
    • No hay lluvias salvo que se deshaga por la Jet stream.
  • Primavera y otoño:
    • Desaparece el anticiclón continental, lluvias.
  • Verano:
    • Anticiclón Africano: envía viento cálido y seco.
    • Anticiclón de las Azores: asciende y bloquea la entrada de precipitaciones.
• b) Gota fría:
  • Masa de aire frío que llega hasta $30 – 45\text{º}$ de latitud Norte, debido a la ruptura del chorro polar.
  • Al quedar rodeado por aire más cálido, desciende en espiral.
  • Por la zona central asciende aire cálido y húmedo, lluvia o nieve.

E] Tornados.

9.7 El Clima de las Bajas Latitudes

• A] Los monzones.
• B] Tifones, huracanes y ciclones.

10. Cambios Climáticos Pasados

10.1 La Influencia de la Geología en los Cambios Climáticos

A] Distribución de tierras y mares

• Pangea I.
• Glaciación del Carbonífero.
• Pangea II:
  • Fragmentación, deriva continental, modificación de corrientes.

B] Impacto de grandes meteoritos

• La extinción Cretácico – Terciario (Dinosaurios y muchos otros seres vivos).

C] Erupciones volcánicas

• $\text{SO}_2$ y polvo, aumenta el efecto albedo.
• Se limpia la atmósfera poco a poco, pero permanece el $\text{CO}_2$, que aumenta el efecto invernadero.

D] Variaciones de intensidad de la radiación incidente

• a) Períodos glaciares:
  • Era Primaria.
  • Glaciaciones del Cuaternario.
• b) Ciclos astronómicos de Milankovich:
  • Excentricidad de la órbita.
  • Oblicuidad del eje: estaciones.
  • Precesión, relación entre el verano y la distancia al sol.
• c) Manchas solares.

10.2 Cambios Durante el Pasado Histórico

• A] Óptimo climático (hace $7000-5000$ años).
• B] Óptimo climático medieval.
• C] Pequeña edad del hielo ($1200$ a $1900 \text{ d.C.}$).

11. Cambios Climáticos Presentes y Futuros

A] Problemas ambientales globales.

B] Calentamiento global

• a) Gases responsables:
  • $\text{CO}_2$ ($50\%$).
  • $\text{CH}_4$ ($19\%$).
  • $\text{O}_3$ ($8\%$).
  • $\text{N}_2\text{O}$ ($4\%$).
  • $ ext{CFC-10}$ ($10\%$).
  • $ ext{CFC-11}$ ($5\%$).
• b) Origen y causas de su aumento:
  • $\text{CO}_2$:
    • Quema de combustibles fósiles.
    • Incendios y deforestación.
  • $\text{CH}_4$ (efecto $25$ veces superior al $\text{CO}_2$):
    • Incendios de bosques.
    • Suelos inundados (cultivos de arroz).
    • Ganadería.
    • Yacimientos de combustibles.
  • $\text{N}_2\text{O}$ (efecto $230$ veces superior al $\text{CO}_2$):
    • Desnitrificación por abonado excesivo.
  • $ ext{CFC}$ (efecto $10,000$ veces superior al $\text{CO}_2$):
    • Industrias de espumas y refrigerantes.
    • Utilización como propelentes en aerosoles.
• c) Países en vías de desarrollo: problemas al seguir el modelo occidental.
• d) Convenio sobre cambio climático: Conferencia de Río de Janeiro $1992$.
• e) Acuerdos internacionales:
  • Conferencia de las partes.
  • Protocolo de Kioto.
  • Mecanismos de flexibilidad.
  • Agencia Europea de Medio Ambiente.
• f) Cumbres internacionales:
  • Cumbre de Kioto ($1997$).
  • Cumbre de Buenos Aires ($1998$).
  • Cumbre de La Haya ($2000$).
  • Cumbre de Nueva Delhi (Noviembre $2002$).
  • Entrada en vigor del Protocolo de Kioto (Febrero $2005$).
  • Cumbre de Montreal (Noviembre $2005$).
  • Cumbre de Nairobi (Noviembre $2006$).
  • Cumbre de Bali (Diciembre $2007$).
  • Cumbre de Copenhague (Diciembre $2009$).
• g) Panel intergubernamental para el cambio climático ($ ext{IPCC}$):
  • Informe $2007$.
  • Previsiones.
• h) Situación en España.