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TEMA 12

Capa límite planetaria.

1. Definición e importancia. La superficie de la tierra es el límite más bajo del dominio atmosférico y, por tanto, interacciona con la capa más baja de la atmósfera. Capa límite  “Esa parte de la troposfera que está directamente influenciada por la presencia de la superficie de la tierra y que responde a los forzamientos de la superficie en una escala temporal de alrededor de una hora o menos." Escala: La profundidad de la capa límite es variable aunque, típicamente, está comprendida entre 100-3000 m. Relación entre la altura de la troposfera y el radio de la Tierra  10 km/6400 km = 0.001 = 0.1% Relación entre la profundidad de la capa límite y el radio de la Tierra  1 km/6400 km = 0.0001 o 0.01% Nos concentraremos en la microescala, esto es, procesos con escalas espaciales entre aproximadamente 2 mm y 2 km y con escalas temporales entre unos pocos segundos y unas pocas horas. Nótese que todas las escalas de movimiento –global, sinóptica, mesoescala, microescala- están interrelacionadas: transferencias de energía o cascadas desde las escalas grandes a las escalas más pequeñas y que eventualmente pueden disiparse como turbulencias.

Mecanismos que fuerzan la capa límite: Q  Ejemplos de mecanismos “forzadores” (procesos físicos que modifican la temperatura de una parcela de aire, el contenido en humedad o la velocidad del viento) y que son significativos en la capa límite. 1) Transferencia de calor desde/hacia el suelo. 2) Arrastre de fricción. 3) Evaporación y transpiración. 4) Modificación del flujo inducida por el terreno (rugosidad). 5) Emisión de contaminantes. Evidencia de microescala meso-gamma y escalas espaciales meso-beta (menos de 200km): Observaciones: - Capa límite es la porción de fluido adyacente a la superficie de un objeto alrededor de la cual el fluido es el que fluye. - La capa es límite entre el objeto y el fluido que fluye libremente. - Debido a su contacto o proximidad al objeto, la capa límite es afectado por las propiedades de flujo de objetos y muestra que son diferentes de los del fluido que fluye más lejos del objeto. Irene Lizarán / Unybook: ilizaran

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Comparación entre la capa límite y la atmósfera libre:

PROPIEDAD

CAPA LÍMITE

ATMÓSFERA LIBRE

Turbulencia

Casi continuamente turbulenta sobre toda su profundidad

Dispersión

La mezcla turbulenta rápida en vertical y horizontal Casi velocidad logarítmica en las capas superficiales Domina la turbulencia Varía entre 100m a 3km en tiempo y espacio, oscilaciones diurnas por la tierra

La turbulencia es convectiva en las nubes y esporádica en aire claro en finas capas de grado horizontal Pequeña difusión molecular A menudo rápido transporte horizontal por el viento Vientos casi geostróficos

Vientos Transporte vertical Espesor

Viento y cumuloscala media dominan Menos variable 8-18km, lentas variaciones en el tiempo

Significado de la capa límite: Es importante comprender la capa límite porque: - La gente vive la mayor parte de sus vidas en la capa límite. - Previsiones meteorológicas diarias de rocío, niebla, heladas, la temperatura máxima y mínima son realmente previsiones de la capa límite. - La contaminación está a menudo atrapada en la capa límite. - Se produce la niebla dentro de la capa límite. - Se llevan a cabo algunas actividades de aviación, transporte y otras actividades de comercio dentro de su masa de aire. - Los cultivos se cultivan en la capa límite  El polen es distribuido por la capa límite. - Nube de núcleos de condensación están en el aire de la superficie por procesos de la capa límite. - Prácticamente todo el vapor de agua que llega a la atmósfera libre es transportado primero a través de la capa límite por procesos. - La evolución de tormentas y huracanes es de forma turbulenta y advectiva, están vinculados a la entrada de aire húmedo a la capa límite. - Transporte turbulento de cantidad de movimiento a través de la capa límite de la superficie, es el sumidero más importante de impulso a la atmósfera. - Alrededor del 50% de la energía cinética de la atmósfera se disipa en el límite de capa. - Turbulencia y rafagosidad afecta a la arquitectura en el diseño de estructuras. - Los aerogeneradores extraen la energía de los vientos de la capa límite. - Tensión del viento en la superficie del mar es la fuente primaria de energía para las corrientes oceánicas. Áreas relacionadas de estudio: - Meteorología de la contaminación del aire. - Transporte atmosférico y difusión de contaminantes. - Deposición sobre superficies de tierra y agua. - Predicción de la calidad del aire local, urbano y regional. - Meteorología de mesoescala. - Capas límites urbanas y el efecto isla de calor. - Brisas tierra/mar. - Desarrollo de frentes y ciclones. - Predicción de temperaturas de la superficie y las condiciones heladas. - Temperatura y humedad del suelo. - Dispersión del flujo alrededor de los edificios. - Predicción de las temperaturas superficiales de carreteras y la formación de hielo. Irene Lizarán / Unybook: ilizaran

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2. Balance de energía. -

La superficie de la Tierra:

Límite entre la atmósfera y la tierra o el océano. Difícil de definir sobre mar muy perturbado superficies terrestres con cobertura vegetal variable. Supondremos que puede definirse adecuadamente y la trataremos como una interfase sencilla entre dos medios. Al considerar los procesos de intercambio de energía significativos, debemos incluir: - La atmósfera. - Las capas límite del océano. - Los primeros pocos metros del suelo. Los flujos de energía a través de la superficie son tan importantes para el clima como los flujos en el TOA, principalmente porque el clima en la superficie es de mayor significación práctica. El balance de energía en superficie determina la cantidad de flujo de energía disponible para evaporar agua de la superficie y elevar o disminuir la temperatura de la superficie. Los procesos en la superficie también representan un papel importante en la determinación del balance de energía global del planeta. Por ejemplo albedo, contenido en humedad del suelo, emisividad… El balance de energía en superficie es más complejo que el balance en el TOA, porque implica la consideración de flujos de energía: - Por conducción. - Por convección. - Por radiación. El balance de energía local en superficie depende de la insolación, de las características de la superficie (como humedad, cobertura vegetal, albedo…) y de las características de la atmósfera que cubre la superficie. El balance de energía en superficie está íntimamente relacionado con el ciclo hidrológico. La evaporación de la superficie es un componente clave en los balances tanto de energía como de agua. Entender el balance de energía de la superficie es una parte necesaria del conocimiento del clima y de su dependencia con las ligaduras externas. Puede describirse en términos de flujos de energía por unidad de superficie que pasan verticalmente a través de la interfase airesuperficie, y se mide en W m-2. Procesos que determinan la transferencia de energía entre la superficie y la atmósfera: 1) Transferencia radiativa: - Solar. - Infrarroja. 2) Flujos de energía asociados con movimientos de fluidos: - De la atmósfera. - De los océanos.

Irene Lizarán / Unybook: ilizaran

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También son importantes el almacenamiento y el transporte de energía debajo de la superficie. Desde el punto de vista del cálculo del balance de energía, el almacenamiento en la superficie tiene lugar en el volumen entre el límite con la atmósfera y la profundidad por debajo de la superficie, donde los flujos de energía y el ritmo de almacenamiento de energía se consideran despreciables. Esta profundidad puede ser tan pequeña como unos pocos metros en zonas de secano, o tan grandes como varios km en zonas oceánicas donde se forman las aguas profundas. En superficies de agua, los flujos horizontales de energía realizados por los movimientos de fluidos bajo la superficie pueden ser muy importantes. Ecuación del balance de energía en superficie: dEs/dt = G  Almacenamiento de energía en el suelo o en el agua. Rs  Flujo radiativo neto de energía en la superficie. LE  Flujo de calor latente desde la superficie a la atmósfera. SH  Flujo de calor sensible desde la superficie a la atmósfera. AFeo  Flujo horiz. fuera de la columna tierra-mar por debajo de la superficie. Se han despreciado muchos otros términos que podrían ser significativos localmente o por periodos breves de tiempo. Por ejemplo: - Calor latente de fusión necesario para fundir hielo y nieve en primavera, que representa ≈ 10% del desequilibrio radiativo durante periodos limitados de tiempo. - La conversión de la energía cinética del viento y de las olas en energía térmica es generalmente pequeña. - Puede ocurrir transferencia de calor por la precipitación, si ésta está a temperatura diferente que la de la superficie. Ej. Las lluvias en verano refrescan porque tprecip...