FISICA ATMOSFERICA

CONTENIDO

1. El sol como motor del tiempo y el clima.
2. La constante solar.
3. La ley de desplazamiento de Wien
4. Fuerza debida al gradiente de presión.
5. Fuerza gravitatoria.

6. Fuerza de rozamiento.

7. Fuerzas aparentes:

• Fuerza de Coriolis.
• Fuerza centrífuga.

EL SOL COMO MOTOR DEL TIEMPO Y EL CLIMA

Los cambios en el tiempo y la circulación atmosférica tienen su origen principal en la energía recibida por el Sol. Esta energía, pone en movimiento la máquina atmosférica, debida principalmente al calentamiento desigual de la superficie de la Tierra y de la atmósfera.

Calentamiento desigual de la Tierra

La energía que se transmite desde el sol viene en forma de ondas electromagnéticas, el cual es el tercer mecanismo de transferencia de calor. Cuáles son los otros dos mecanismos de transferencia?

El ritmo mediante el cual un cuerpo radia energía térmica es proporcional al área del cuerpo y a la cuarta potencia de su temperatura. Este resultado fue obtenido empíricamente por Josep Stefan en 1879 y deducida teóricamente por Ludwig Boltzmann. Ley de Stefan - Boltzmann.

EJERCICIOS

Radiación del cuerpo humano

1. Calcular la energía radiada por una persona, suponiendo que la persona se comporta como un cuerpo negro, con área de 1.4 m2 y una temperatura de la superficie de la piel de 33 grados Celsius.

2. Calcular la perdida de energía radiada por una persona desnuda que se encuentra en una habitación que tiene una temperatura de 20 grados Celsius.

3. Calcular la potencia emitida por el Sol, si se comporta como un cuerpo negro, su radio es de 695700 km y la temperatura superficial es de 6000 grados kelvin.

4. Calcular la potencia de radiación que llega desde el Sol a la parte alta de la atmósfera, si la distancia media es de 150 000 000 km.

5. Realizar una gráfico de radiación solar en función de la distancia.

# solución 1
EMISIVIDAD <- 1
BOLTZMANN<- 5.67e-8
#AREA <- 
#TEMPERATURA_CUERPO <- 
#POTENCIA_RADIADA
#POTENCIA_RADIADA

# solución 1
EMISIVIDAD <- 1
BOLTZMANN<- 5.67e-8
AREA <- 1.4
TEMPERATURA_CUERPO <- 33 + 273.15
POTENCIA_RADIADA_1 <- EMISIVIDAD *BOLTZMANN*AREA*TEMPERATURA_CUERPO^4
POTENCIA_RADIADA_1

## [1] 697.3457

# solución 2
EMISIVIDAD <- 1
BOLTZMANN<- 5.67e-8
AREA <- 1.4
TEMPERATURA_CUERPO <- 33 + 273.15
TEMPERATURA_AMBIENTE <- 20 + 273.15
POTENCIA_RADIADA_2 <- EMISIVIDAD *BOLTZMANN*AREA*(TEMPERATURA_CUERPO^4- TEMPERATURA_AMBIENTE^4)
POTENCIA_RADIADA_2

## [1] 111.1122

Constante Solar

# solución 3
EMISIVIDAD <- 1
BOLTZMANN<- 5.67e-8
AREA <- 4*pi*(695700*1000)^2
TEMPERATURA <- 6000
POTENCIA_RADIADA_SOL<- EMISIVIDAD *BOLTZMANN*AREA*TEMPERATURA^4
POTENCIA_RADIADA_SOL

## [1] 4.469325e+26

# solución 4
AREA_TIERRA_SOL <- 4*pi*(150000000000)^2
POTENCIA_TIERRA_SOL <-  POTENCIA_RADIADA_SOL/AREA_TIERRA_SOL
POTENCIA_TIERRA_SOL

## [1] 1580.7

# solucion 5
library(ggplot2)

## Warning: package 'ggplot2' was built under R version 3.5.2

DISTANCIA <- seq(0,150000000000,10000000000)
DISTANCIA<- as.double(DISTANCIA)
AREA <- 4*pi*(DISTANCIA)^2
POTENCIA_SOL <-  POTENCIA_RADIADA_SOL/AREA
POTENCIA_SOL

##  [1]        Inf 355657.578  88914.395  39517.509  22228.599  14226.303
##  [7]   9879.377   7258.318   5557.150   4390.834   3556.576   2939.319
## [13]   2469.844   2104.483   1814.579   1580.700

qplot(DISTANCIA/1000, POTENCIA_SOL/1000, main = "RADIACIÓN (KW) VS DISTANCIA (km)", xlab = "DISTANCIA (km) ")

LA LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN

ESPECTRO VISIBLE

Es una ley de la física que establece que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura. Matemáticamente, la ley es:

LA LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN

lON_ONDA<- 0.0028976/6000
lON_ONDA

## [1] 4.829333e-07

ESPECTRO VISIBLE

Un ejemplo de aplicación de la ley de desplazamiento de Wien ?

DINÁMICA ATMOSFÉRICA

La energía radiante del Sol se transforma en energía cinética del aire en movimiento o viento. La componente vertical del viento es pequeña y a menudo se desprecia al compararla con las componentes horizontales. Sin embargo, los movimientos verticales del aire son la causa primordial de la ocurrencia o ausencia de casi todas la formas de nubes y de precipitación, es decir, de todos los fenómenos del tiempo.

Sin embargo, los movimientos verticales del aire son la causa primordial de la ocurrencia o ausencia de casi todas la formas de nubes y de precipitación, es decir, de todos los fenómenos del tiempo.

CIRCULACIÓN DE LOS VIENTOS CONSIDERANDO UNA TIERRA INMÓVIL

• Tierra inmovil con una distribución uniforme de los continentes.
• Vientos fríos en superficie desde los polos hacia el Ecuador.
• Vientos calidos en altura desde el Ecuado hacia los polos.

Una célula convectiva teórica en cada emisferio

FUERZA GRADIENTE DE PRESIÓN

Las diferencias de presión en un fluido, debidas a las diferencias de desnsidad o temperatura, dan lugar a un campo de fuerzas F.

Diferencial cubico de presión

Diferencial cubico de presión

Diferencial cúbico de presión

Ejercicio

Calcular la fuerza gradiente de presión, para los puntos representados en los siguientes gráficos. La distancia se puede calcular siguiendo el siguiente enlace https://www.nhc.noaa.gov/gccalc.shtml

lineas de corriente

carta de superficie

# ALTA_PRESION <- 103100
# BAJA_PRESION <- 101200
# DISTANCIA<- 333000
# DENSIDAD_DEL_AIRE <- 1.225
# DIFERENCIA_DE_PRESION <- ALTA_PRESION-BAJA_PRESION

# GRADIENTE <- DIFERENCIA_DE_PRESION/(DISTACIA*DENSIDAD_DEL_AIRE)
# GRADIENTE

# TIEMPO<- sqrt(2*DISTANCIA/GRADIENTE)
# TIEMPO_MIN<- TIEMPO/60
# TIEMPO_MIN

# VELOCIDAD_FINAL <- GRADIENTE*TIEMPO
# VELOCIDAD_FINAL ?????

FUERZA DE ROZAMIENTO

Módulo de cizalladura

Experimentalmente el módulo elástico transversal (o módulo cortante) puede medirse de varios modos, conceptualmente la forma más sencilla es considerar un cubo como el de la figura y someterlo a una fuerza cortante, para pequeñas deformaciones se puede calcular la razón entre la tensión y la deformación angular: En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante u por la superficie de un fluido viene dada por: