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CLIMATOLOGÍA
Año 2008
PROGRAMA:
1) Sistema climático. Predictabilidad y aleatoriedad. Concepto de Clima. Condiciones externas e internas. Ergodicidad.
Transitividad. Climatología Descriptiva, Física, Sinóptica y Dinámica.
2) Factores astronómicos del clima. Radiación solar. Distancia tierra-sol. Altura del sol en función de la latitud, día y hora.
3) Subsistemas. Criosfera: nieve estacional, hielo marino, mantos continentales, glaciares y permafrost. El rol de los océanos en
el sistema climático. Litosfera: flujo de calor en el suelo. Penetración desfasaje de las ondas térmicas, diurnas y anuales.
4) Balance global de radiación y calor en el sistema climático y en la atmósfera. Transporte meridional de energía. Teorías
antiguas sobre la circulación general. Experimentos físicos y matemáticos sobre el transporte meridional de momento angular y
calor. Circulación de Hadley y de Rossby. Transporte meridional medio celular y turbulento.
5) La circulación observada. Resolución de la circulación general. campos medios promediados zonalmente. Las circulaciones
meridionales. Transporte meridional de calor, momento angular y agua. Esquema global de la circulación general. los campos
medios en superficie., troposfera media, alta y estratosfera. Variación estacional. Implicancias climáticas. Convergencia y
movimientos verticales.
6)
La circulación de los trópicos.
7)
Aspectos generales de la circulación de los Oestes.
8) Clasificaciones climáticas. Los climas del mundo.
9) El clima de Argentina. La circulación sobre Argentina. Los sistemas de Jets. La depresión del noroeste. Las situaciones
típicas. El pasaje de sistemas frontales el desarrollo de ciclones. Campos medios de precitación y su variación anual.
10) Cambio climático.
11) El fenómeno de El Niño. Historia: Carranza, Lockyel, Walker, Wyrtky, Bjernes, Ichrye, Quin. El Niño, La niña y la
Oscilación del Sur; ENSO. Descripción del fenómeno. El Niño fuera de su área de influencia directa: Africa, India, ONA,
Sudamérica.
12)
ELEMENTOS DEL CLIMA
- Temperatura
- Precipitación
- Contenido de agua en el suelo
- Vector viento
- Humedad relativa
- Insolación
- Nubosidad
- Visibilidad
- Presión
- Tiempo significativo: Niebla
- Tormentas, heladas, etc
Dependiendo de la aplicación que le queremos dar a estos resultados
Clima= valor medio
Balance de energía del sistema tierra-atmósfera
Qué factores pueden producir cambios en el balance?
SISTEMA CLIMÁTICO
(SC)
Es el sistema que es afectado por la variabilidad de los elementos climáticos.
Depende de la escala del tiempo.
Lo que no es parte del sistema climático pero influye en el mismo:
Factores externos. Ej:
Variabilidad de la radiación solar.
Movimientos astronómicos de la tierra
Axiomática: Según OMM el SC está compuesto por los subsistemas
. ATMÓSFERA
. HIDRÓSFERA (Ríos, lagos, océanos, etc)
. CRIÓSFERA ( Hielos continentales y marinos, Nieve y permafrost)
. SUELO (Primeros metros de la litósfera)
. BIÓSFERA (terrestre y marina)
SISTEMA CLIMÁTICO
Posición extrema:
Te  1-100 años
Todo lo que interactúa con las variables climáticas depende de T e
SOL
ATMÓSFERA
OCÉANO (no todo)
LITÓSFERA (no todo)
CRIÓSFERA
Posición manejable:
Todo lo que es influenciado por los elementos climáticos de superficie
Factores internos del clima
Características termo e
hidrodinámicas de la atmósfera
O.M.M.
Atmósfera
Capa límite planetaria
Atmósfera libre
Hidrósfera
Ríos, lagos, mares, océanos.
Criósfera
Hielos continentales y marinos
Nieve
Permafrost
Suelo
Primeros mts. de la Litósfera
Biósfera
Terrestre y marina
Factores externos del clima
Física del Sol
Movimientos Astronómicos
R= respuesta
F= forzante
Para que la respuesta periódica tenga la misma frecuencia que
el forzante debe haber una relación lineal
R(t) = a F(t) + b
gafico 2.7
Importancia de la variabilidad interna
TIEMPO DE RESPUESTA : T
Es una medida de tiempo que tarda un
sistema en equilibrarse después de una
perturbación pequeña sobre el mismo
Una expresión:
l – folding time = T
Perturbación de magnitud A
A´ = Ae
cuando t = 1/
ya que A´ = A/e
–t
t=T
En general en el sistema climático
T de respuesta es el T respuesta térmico
Cuando un subsitema tiene
T
<<
que el T del resto del sistema
que interactúa con él
El subsitema llega a condiciones medias estacionarias
SUBSISTEMAS
ATMÓSFERA
-Densidad y capacidad calorífica muy
pequeña
-- T de respuesta pequeño
- Muy Inestable
- Mas dinámico de los subsistemas
HIDRÓSFERA
- Densidad y calor específico >>
atmósfera
T de respuesta grande
- Masa * Calor específico >> que
todos los otros subsistemas
- Reservorio de energía
- Dimensiones: Horizontal >> Vertical
- Movimientos esencialmente
horizantales
- Gran inercia mecánica
- Dimensiones idem atmósfera
. Equilibrio hidrostático
. Equilibrio hidrostático
. Fuerte interacción con la
superficie y el espacio
exterior
. Fuerte interacción con la
atmósfera
DIMENSIÓN RELATIVA
16 km
D
Masa
99 % 30 km
D
2r
~
1
400
r
~ 6000 km
SUBSISTEMAS
ATMÓSFERA
, Cv más pequeños
T pequeño
más inestable
más dinámica
Dimensiones
Fuerte interacción
con la superficie
Redistribución
propiedades
por movimientos
esencialmente
horizontales
HIDRÓSFERA
 , Cv >> atmósfera
Masa . Cv >> Todos los otros
subsistemas
Reservorio de
energía
Gran inercia mecánica
Dimensiones:
Océano idem Atmósfera
pero aún más Hidrostático
Relación
hidrostática
Fuerte interacción Mar – Atmósfera
CRIÓSFERA
LITÓSFERA
- Hielo en Antártida y
Groenlandia
- Condicionado por el
clima
- Hielo cont. en
glaciares
- Agente
- Hielo marino , capas
y témpanos
- Nieve (transitoria
estacionalmente)
Permafrost
Vulcanismo
- Ciclo de gases de
invernadero
CO2- CH4, NO7
- Reflexión de la luz
- Intercambia con
atmósfera:
- Momento
- Energía
- Masa (agua)
Desacopla Océano –
Atmósfera en lat.
altas
BIÓSFERA
- Ciclo del agua
FEEDBACK
input
FEEDBACK
SISTEMA
output
FEEDBACK
input
SISTEMA
output
FEEDBACK
T
+ sup. con HIELO y NIEVE
T
+ reflexión de la LUZ SOLAR
FEEDBACK POSITIVO
ejemplos:
T
mas capacidad de contener
H2O vapor en la atmósfera
mayor retención de la
emisión de onda larga
otra vez FEEDBACK POSITIVO
T
+ H2O vapor
eventualmente
+ Nubosidad
+ Albedo
- Radiación O. larga
saliente
Complicado, aunque
generalmente
T
FEEDBACK NEGATIVO
T
+ H2O vapor
eventualmente
+ Nubosidad
+ Albedo
- Radiación O. larga
saliente
Complicado, aunque
generalmente
T
FEEDBACK NEGATIVO
FORZANTE EXTERNO Y VARIABILIDAD INTERNA
FB-
Perturbación decrece
FB+
Perturbación crece
y puede dar lugar a otros
procesos con FB- ó FB+
VARIABILIDAD INTERNA
Factores del Clima
INTERNOS
Generales
EXTERNOS
Locales
Cambios en la órbita terrestre
Astronómicos
Variabilidad de la emisión solar
Deriva de los continentes
Geológicos
Movimientos orogénicos
Vulcanismo
Cambios en la concentración
Composición
de GEI
de la atmósfera
Cambios en la concentración
y distribución de aerosoles
Variabilidad interna del sistema
Astronómicos
•
Escala de tiempo: 10.000 a 100.000 años
• La excentricidad de la órbita sufre variaciones que provocan una
sustancial variación del forzante externo y eventualmente cambios
climáticos en la escala de milenios
• cambio de excentricidad, 95000 años de período
• el eje de la tierra tiene un ángulo con respecto a la eclíptica (produce
las estaciones) hoy ~ 23,5 º. Varía de 21,8º a 24,4º con un período de
41000 años
• rotación del eje de la tierra alrededor de la vertical de la eclíptica,
período de 21000 años (movimiento tipo trompo)
• Este movimiento da lugar a lo que se denomina la precesión de los
equinoccios, es decir el traslado de los equinoccios en la órbita. Hoy el
perihelio está en enero, 10000 años atrás estaba en junio. Ver figuras
Figure 6.3
•
Figure 6.3. Variations of deuterium (δD; black), a proxy for local temperature, and the atmospheric concentrations of the greenhouse gases CO 2
(red), CH4 (blue), and nitrous oxide (N2O; green) derived from air trapped within ice cores from Antarctica and from recent atmospheric
measurements (Petit et al., 1999; Indermühle et al., 2000; EPICA community members, 2004; Spahni et al., 2005; Siegenthaler et al., 2005a,b). The
shading indicates the last interglacial warm periods. Interglacial periods also existed prior to 450 ka, but these were apparently colder than the
typical interglacials of the latest Quaternary. The length of the current interglacial is not unusual in the context of the last 650 kyr. The stack of 57
globally distributed benthic δ18O marine records (dark grey), a proxy for global ice volume fluctuations (Lisiecki and Raymo, 2005), is displayed for
comparison with the ice core data. Downward trends in the benthic δ18O curve reflect increasing ice volumes on land. Note that the shaded vertical
bars are based on the ice core age model (EPICA community members, 2004), and that the marine record is plotted on its original time scale based on
tuning to the orbital parameters (Lisiecki and Raymo, 2005). The stars and labels indicate atmospheric concentrations at year 2000.
¿El sistema climático es o no ergódico?
Los sistemas matemáticos similares presentan en
principio infinitas soluciones.
Cada solución tiene sus propias estadísticas de largo
plazo.
Si al elegir una solución cualquiera del sistema hay un
sólo conjunto de estadísticas de largo plazo el
sistema es transitivo.
Es decir que las estadísticas no van a depender de
qué valores haya tomado el sistema en algún
momento
¿Por qué transitivo?
Los valores de las soluciones no están impedidos de
transitar por cualquier valor.
En el largo plazo presentarán las mismas estadísticas.
Si hay más de un conjunto de estadísticas con probabilidades no nula el
sitema es intransitivo
Analogía física
Sistema Transitivo
V
V=0
V
V=0
Sistema Intransitivo
Sistema TRANSITIVO
Proceso ergódico
Sistema INTRANSITIVO
No ergódico
Enseñanza del experimento
Podría ocurrir: Cambio en las condiciones
externas modifica el clima en forma
irreversible
Tercera posibilidad
Sistema es transitivo pero por ciertos
tiempos mantiene estadísticas diferentes.
Esto es un
Sistema semitransitivo
Posibles explicaciones de:
NIÑO
Periodos Interglaciares
NO-NIÑO
Periodos Glaciares
Herramienta de estudio Modelos de Circulación
General (MCG)
Modelos Climáticos Globales
NOAA´s Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)
Herramienta: Observación del
Sistema Climático, su variabilidad y
cambio
Observación del sistema
•
•
•
•
•
Observaciones directas (Estaciones meteorológicas)
Satélites
Radares
Proxy data
....
• RESEARCH PROGRAMS
• GLOBAL CARBON CYCLE
• GREENHOUSE GASES and AEROSOLS
• MODELING CLIMATE
• OBSERVING CLIMATE VARIABILITY and CHANGE
• PREDICTING CLIMATE VARIABILITY and EXTREME
EVENTS
• EL NIÑO and LA NIÑA
• THE OZONE LAYER
• ARCTIC RESEARCH
• PALEOCLIMATOLOGY
• REGIONAL CLIMATE SERVICES
Radiación Solar
División aproximada del espectro solar en varias
bandas de colores y regiones de energía
< 0.4 µm
Ultravioleta
Visible
Infrarrojo
Violeta
Azul
Verde
Amarillo
Naranja
Rojo
0.390 – 0.455
0.455 - 0.492
0.492 – 0.577
0.577 - 0.597
0.597 – 0.622
0.622 - 0.770
> 0.77 µm
8.03 %
46.41 %
46.40 %
Isc = σ T
4 Π R2 Isc
llega a la superficie de la
esfera donde esta la Tierra
=
4
4 Π rs2 σ Ts
4
sale del sol
Temperatura de cuerpo negro del Sol
Ts= (Isc R²/σ rs² ) ¼
R = 149 597 890 km. Distancia media tierra-sol
rs = 694 980 km. Radio del sol
σ = Stefan Boltzman
cte =5,6697 x 10-8 W/m2k4
Isc = 1367 W/m2
 Ts = 5777 ºK
La distancia tierra sol
• La radiación que llega al tope de la atmósfera terrestre es inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia.
•
Isr = σ Ts4 rs²/R²
Rmin = 0,983 AU ~ 3 enero en el perihelio
Rmax = 1,017 AU ~ 4 julio en el afelio
Rmed ~ 4 abril y 5 octubre
•
Isr R² = Isc Rm² 
Isr = Isc (Rm/ R) ²
• Estas distancias están influenciadas por otros cuerpos celestes. Pero estas
alteraciones son conocidas y están en el almanaque náutico publicado por el
observatorio naval de EE.UU.
•
Isr = Isc Eo
E0 = (Rmed/R)² es la corrección por
excentricidad y se puede aproximar por una
serie de Fourier
Eo = (R medio/ R)2
Eo = 1,000110 + 0,034221 cos Γ + 0,001280 sen Γ +
0,000719 cos 2Γ + 0,00077 sen 2Γ
Γ = 2 π (dn – 1)/365
dn : 1= 1 enero
Aproximación
Eo = 1 + 0,033 cos[(2πdn/365)]
• El tiempo solar está basado en la rotación de la tierra sobre su eje. El día
solar es el tiempo en que el sol parece cumplir un ciclo completo sobre un
lugar sobre la tierra y no es exactamente 24 hs.
• El día solar varía a lo largo del año porque:
– El eje de la tierra tiene un ángulo con respecto a la eclíptica y.
– La Tierra barre áreas desiguales de la eclíptica en días distintos
• Discrepancias de un día a otro de hasta 30 minutos son posibles. La
ecuación del tiempo en minutos (discrepancia con el tempo medio del día)
es otra vez en términos de Fourier de Γ
• Et = 229,18 [0,000075 + 0,001868 cosΓ – 0,032077 senΓ – 0,014615 cos2Γ –
0,04089 sen2Γ]
• Es una aproximación, mayor exactitud en el almanaque naval.
• (TLA) Tiempo local aparente = (TLM) Tiempo local medio + Et
• Como generalmente la hora que se usa es la de otro meridiano =
TLS
• TLM = Tiempo local standard (TLS) + corrección por longitud
(CL)
– CL = 4 (Ls – Ll) , Ls = longitud standard , Ll = longitud local
es<0 si Ls está al este de Ll
• Así TLA = TLS + 4 (Ls – Ll) + Et
• Es la ecuación que vincula el tiempo standard y el solar de un
lugar medidos ambos en minutos.
cos(θs) = cos(90 –Φ) cos(90 – δ) + sen(90 – Φ) sen(90 – δ) cosh
• Donde h es el ángulo horario medido desde el mediodía
– Se deduce la duración del día
Simplificando
cos(θs) = sen Φ senδ + cos Φ cosδ cos h
(duración del día ?..)
• Por lo tanto la radiación solar inicialmente en una superficie
horizontal es
• Ih = Isr [sen Φ senδ + cos Φ cosδ cos h]