Tema 1. Estructura general de l'atmosfera i sistemes meteorològics

Data: 10 febrer 2020

• Temps: estat de l'atmosfera en un instant i lloc concrets.
• Clima: descripció estadística del temps durant un període llarg de temps (típicament 30 anys), que ajuda a descriure un lloc o regió. La descripció té en compte tant les mitjanes com els valors extrems.

• Meteorologia: estudi dels meteros (etimològicament, "suspès a l'aire").

• Meteors:
  • Hidrometeors (aquosos): núvols, rosada, gebre, precipitants (neu, pluja, plugim, pedra)
  • Litometeors (partícules sòlides): calitja, tempesta de pols, ...
  • Eòlics (vent): mànega, tornado, ciclons tropicals, ...
  • Electrometeors: llamps, trons, ...
  • Fotometeors: halo, arc de Sant Martí, ...

Data: 11 febrer 2020

Mapa que mostra la classificació de Köppen-Geiger

• Cicle diürn: en absència de massa d'aire.
  • La temperatura més baixa és a la posta del Sol.
• Normal climàtica: valor mitjà d'una variable al llarg de 30 anys. Per exemple:
  • Precipitació anual,
  • precipitació mensual,
  • temperatura màxima mensual, etc.
• Classificació de Köppen-Geiger: dues lletres que classifiquen el clima d'una àrea geogràfica.

Factors que afecten el clima

• Causa principal: l'energia que la Terra rep del Sol, que és l'entrada principal d'energia (la variació de la distància al Sol és petita comparat amb la diferència d'inclinació, que provoca l'efecte cosinus i les estacions).
• Latitud, longitud, continentalitat, corrents oceànics i orografia: condicionen la distribució dels climes del món.
• Altres factors que influeixen en les mitjanes mensuals:
  • Contrast terra-mar
  • Corrents oceànics
  • Altitud
  • Continentalitat (aïllament del mar)

• Amplitud tèrmica: [math]\displaystyle{ max(T) - min(T) }[/math] durant tot l'any.
• Distribució asimètrica de la Terra:
  • Hemisferi nord: ≈ 65% terra
  • Hemisferi sud: ≈ 25% terra

• Corrents oceànics: moviments horitzontals de l'aigua a la superfície
  • Degut a l'efecte del vent.
  • Hi ha corrents calents i freds que transporten el calor.
    • Per tant existeixen diferències de clima a les ciutats costeres (ex: New York/Europa)
  • Corrent termohalina (circulació termohalina): circulació de l'aigua global a profunditat de l'aigua.
    • Causades per les diferències de densitat i salinitat.

• Altitud/orografia:
  • Varia la radiació solar rebuda
  • També afecta l'efecte cosinus
  • Amb una muntanya es generen pluges per l'obstacle

Al final afecta una combinació de tots aquests factors. Per exemple en la precipitació anual mitjana es pot veure clarament que no predomina cap factor.

Característiques generals de l'atmosfera

• L'atmosfera és una capa gaseosa que està unida a un cos celest degut a la gravetat.
• L'atmosfera terrestre té aproximadament 100 km de gruix.
• És important perquè:
  • Efecte hivernacle natural
  • Masses d'aigua i cicle hidrològic
  • Protecció de la radiació UV
  • Respiració de la fotosíntesi
  • Imprescindible per a la vida

Data: 12 febrer 2020

Estructura de l'atmosfera

Factors implicats en l'estructura de l'atmosfera:

• Gravetat
• Compresibilitat de l'aire (si no fos compresible seria molt diferent)
• Intercanvis d'energia amb l'ambient i la superfície:
  • L'ambient: conjunt de l'atmosfera
  • Superfície: la superfície terrestre (ja sigui terra o mar)
• Canvis de fase (vapor d'aigua)
  • Al canvi de fase hi ha un bescanvi d'energia (calor latent)
• Rotació terrestre
• Nombroses interaccions entre aquests processos

Gravetat

• Reté els gasos a l'atmosfera.
• Condiciona la geometria de l'atmosfera (concentració, variació vertical).
• Fa que predomini el moviment horitzontal.
  • Pel potencial gravitatori. Si anés cap a dalt o cap abaix hauria d'haver un bescanvi d'energia degut al treball realitzat.

Compresibilitat

• L'aire està més comprimit a elevacions baixes i menys comprimit a elevacions altes.

Intercanvi d'energia

• Conducció: transferència de calor per contacte de molècules/cosos, sense desplaçament.
  • L'aire és mal conductor de la calor.
• Convecció: transferència de calor per moviment d'aire (bombolles d'aire).
• Radiació: Emissió d'energia EM d'un cos pel fet d'estar a [math]\displaystyle{ T \gt 0 \text{ K} }[/math] (cos negre).
  • L'atmosfera és pràcticament transparent per la radiació que ve del sol. Incideix sobre la superfície i l'escalfa (l'atmosfera no s'escalfa!).

Canvis de fase

Variació de la pressió amb l'altitud

• Si diem "altes i baixes pressions", correspon a la diferència respecte a la pressió corresponent per l'altura.

Variació de la temperatura amb l'altitud

• Troposfera: a mesura que ens allunyem de la superfície, el calor de la superfície no arriba a transmetre's fins allà tant, i doncs la temperatura disminueix fins a la tropopausa. És la capa on hi ha més moviments verticals.
• Estratosfera: tenim una zona isoterma. Després comença a augmentar fins a la estratopausa, degut a l'ozó.
• Mesosfera: a partir d'aquí la densitat de l'aire és molt baixa, i per tant la variable de temperatura no representa el mateix que a les altres zones on hi ha una densitat més elevada.

Data: 14 febrer 2020

Massa de l'atmosfera

La força causada per unitat de volum d'aire és [math]\displaystyle{ F = \rho g \; \text{[F m}^{-2}\text{]} }[/math]

La força total per unitat d'àrea (pressió a la superfície), doncs, serà [math]\displaystyle{ p_s = \int_0^{+\infty} \rho g \, dz }[/math].

En realitat, [math]\displaystyle{ g = f(z, \text{lon}, \text{lat}) }[/math], però suposant g constant i aproximant [math]\displaystyle{ g \approx g_0 = 9.807 \text{ m s}^{-2} }[/math]

Per tant, [math]\displaystyle{ p_s = \int_0^{+\infty} \rho g \, dz = g_0 \int_0^{+\infty} \rho \, dz = m g_0 }[/math]

[math]\displaystyle{ \overline{p_s} = 985 \text{ hPa} \neq 1013 \text{ hPa} }[/math] (el darrer és el valor de la pressió mitja a nivell del mar)

Aleshores, la massa de l'atmosfera serà [math]\displaystyle{ m = \frac{\overline{p_s}}{g_0} = \frac{985 \cdot 100}{9.807} \approx 1.004 \cdot 10^4 \text{ kg m}^{-2} }[/math]

Finalment, tenim [math]\displaystyle{ M_\text{atm} = 4 \pi R_E^2 \overline{m} = 5.10 \cdot 10^{18} \text{ kg} }[/math]

• Temperature "lapse rate" (descens de la temperatura): [math]\displaystyle{ \alpha = - \frac{\partial T}{\partial Z} }[/math] (important! amb signe menys).
  • [math]\displaystyle{ \overline{\alpha} = 6.5 \text{ ºC km}^{-1} }[/math]

• El gruix de l'atmosfera és més gran als equadors que als pols.
• El vent es mou per cèl·lules de zones càlides a fredes.
  • Els límits d'aquestes cèl·lules va canviant durant el temps degut a les estacions, ja que la terra està inclinada i la declinació del sol canvia.

• Diagrames de radiosondatge: línia contínua, la mesura de la temperatura, línia discontínua: temperatura del punt de rosada

• Cicle mitjà de variació de la temperatura amb l'altura: es defineix per unes certes condicions en les quals la massa d'aire que tenim no canvia molt amb el temps. (ho veurem amb més detall més endavant)
• Quan no hi ha aportació de la radiació solar, és normal que hi hagi una inversió de temperatura.
  • Quan es pon el Sol, per la capacitat calorífica del terra es comença a refredar el terra, ja que l'aire transmet calor al terra.

Resum: durant el dia el terra escalfa l'aire, i durant la nit l'aire escalfa la terra.

• 

  Canvi de temperatures segons l'altitud durant el dia

• 

  Inversió de la temperatura present durant la nit

Formació de l'atmosfera terrestre

1. Nèbula solar (nebulosa primigènia): formada per H, He (98%), vapor H₂O, NH₃, CH₄
2. Atmosfera inicial: gasos nobles
3. Desapareix l'atmosfera inicial
4. Desgasificació
5. Atmosfera primitiva (prebiòtica N₂, CO₂, H₂O, CH₄)
6. Atmosfera actual (N₂, O₂, vapor H₂O)

Data: 17 febrer 2020

Variació vertical de l'atmosfera segons a composició

• Homosfera: els gasos permanents i els que tenen temps de residència alts es distribueixen homogèniament degut a la barreja turbulenta. Hi ha turbulències.
  • Constituents majors: N_2, O_2, Ar
• Turbopausa/homopausa: entre els 80/100 km d'altitud
• Heterosfera: estratificació d'acord amb el pes molecular. El flux de l'aire és quasi laminar.
  • Constituents majors: H, He, O, N_2, O_2
• Ionosfera: predominen ions (àtoms que tenen electrons lliures)
• Exosfera

Escapament dels gasos més lleugers: [math]\displaystyle{ v_e = \sqrt{2 g a} \approx 11 \text{ km s}^{-1}; \quad E_{e, m} = \frac{3}{2} k T; \quad \sqrt{\frac{3kT}{m}} }[/math] (on a és la distància al centre de masses de la Terra)

Composició de l'atmosfera

Gasos permanents

Gas | (Símbol) | (M (g mol^{-1})) | C_v (concentració en volum) | T_R (temps de residència)
Nitrogen | 78.08% | 1.6e7 anys
Oxigen | 20.95% | 1e3-1e4 anys
Argó | 0.93% permanent
Neó | 18 ppmv (parts per milió de volum) | permanent
Heli | 5 ppmv | 1e6 anys
Kripton | 1 ppmv | permanent
Hidrogen | 0.5 ppmv | 2 anys

Gasos variables/traça

Diòxid de carboni | 440 ppmv | 3-4 anys
Ozó | 0-10 ppmv | 100 dies
Metà | 1.72 ppmv | 9 anys
Òxid nitròs | 0.31 ppmv | 5-200 anys
Monòxid de carboni | 70 ppbv | 60 dies
Òxids de N | <0.1 ppmv | 0.5 - 2 dies
Clorofluorocarbonis | 0.2-0.3 ppbv | 80 anys
Aerosols | 1-10 ppbv | -

Tot l'anterior seria l'aire sec.

El darrer component seria el vapor d'aigua, de massa molecular 18,02 g mol^{-1}, [math]\displaystyle{ C_v \in [0, 4%] }[/math] i [math]\displaystyle{ T_R = 10 \text{ dies} }[/math].

Concentració en volum

Si tenim una barreja de gasos i definim:

• [math]\displaystyle{ m_i = \text{ massa del component } i }[/math]
• [math]\displaystyle{ n_i = \text{ nombre de molècules del component } i }[/math]
• [math]\displaystyle{ M_i = \text{ massa molecular del component } i }[/math]
• [math]\displaystyle{ \frac{m_i}{\sum m_i} = \frac{n \cdot M_i}{\sum n_i M_i} }[/math]

Concentració fraccional

• En funció de la massa: [math]\displaystyle{ [i]_m = \frac{m_i}{\sum m_i} = \frac{n_i M_i}{\sum n_i M_i} }[/math]
• En funció del volum: [math]\displaystyle{ [i]_v = \frac{n_i}{\sum n_i} }[/math]
• [math]\displaystyle{ \overline{M}_{\text{aire sec}} \equiv \overline{M}_d = \frac{\sum n_i M_i}{\sum n_i} }[/math] (massa molecular de l'aire sec; al sumatori estan tots els components excepte el vapor d'aigua)
• [math]\displaystyle{ [i]_m = \frac{n_i M_i}{\sum m_i M_i} \frac{\sum n_i}{\sum n_i} = \frac{M_i \sum n_i}{\sum n_i M_i} [i]_v = \frac{M_i}{\overline{M}_d} [i]_v }[/math]

Exemple: Càlcul de la concentració en massa de CO2 sabent que la seva concentració en volum és de 410 ppm (ppmv)
[math]\displaystyle{ [CO_2]_n = \frac{M_{CO_2}}{\overline{M}_d} [CO_2]_v = \frac{44 \text{g CO2/mol CO2}}{28.96 \text{g aire sec/mol aire sec}} 410 \cdot 10^{-6} \text{mol CO2/mol aire sec} = }[/math] [math]\displaystyle{ = 6.23 \cdot 10^{-4} \text{ g CO2/g aire sec} = 623 \text{ppmm} }[/math] (parts per milió en massa)

El vapor d'aigua

• [math]\displaystyle{ [H_2O\rangle := \text{humitat específica} = \frac{\text{massa vapor d'aigua}}{\text{massa aire sec}} \, [\text{g / kg}^{-1}] }[/math]

• El vapor d'aigua és el més important dels gasos traça. Presenta una distribució irregular (temps, latitud i altitud). Varia principalment degut a l'efecte de la temperatura.
• La humitat específica varia segons la latitud, però convergeixen cap a 0 a altituds suficientment altes degut a que s'està més lluny de la font.

• 
• 

Diòxid de carboni (CO_2)

• Observatori de Mauna Loa: molt alt, poc afectat per les condicions locals.
• Hi ha un cicle anual degut a les estacions de la quantitat de CO_2.
  • A l'hemisferi nord, el màxim és a la primavera i el mínim a la tardor.
  • És degut a que la distribució de vegetació és asimètrica (n'hi ha més a l'hemisferi nord que al sud). Com les reaccions de fotosíntesi "depenen de l'estació", llavors aquesta asimetria provoca aquests cicles.
• S'estudien les quantitats de diòxid de carboni en el passat molt llunyà estudiant les bombolles d'aire que queden al gel de l'Antàrtida, per exemple.

Metà

• El metà a l'atmosfera presenta una distribució geogràfica irregular segons la localització de les fonts d'emissió.

Ozó

• Teoria de Chapman (la comunment acceptada per explicar la distribució vertical de l'ozó i per què on tenim una concentració gran d'oxígen obtenim una gran concentració d'ozó):
  • [math]\displaystyle{ O_2 + h\nu \rightarrow O + O \quad (\lambda \lt 242 \text{ nm}) }[/math]
  • [math]\displaystyle{ O_2 + O + M \rightarrow O_3 + M' }[/math] (on M és una molècula qualsevol que faci de catalitzadora)
  • [math]\displaystyle{ O_3 + h\nu \rightarrow O_2 + O \quad (\lambda \lt 366 \text{ nm}) }[/math]
  • [math]\displaystyle{ O + O \rightarrow O_2 }[/math]
  • Diferents longituds d'ones penetren diferentment a diferents altituds, per això hi ha uns màxims a certes altituds.
  • Aquestes reaccions estableixen un equilibri.
  • Aquestes reaccions fan que la radiació d'aquestes longituds d'ones que són perjudicials per nosaltres no ens arribin fins al terra.
  • A més, aquestes reaccions generen energia tèrmica que fan que a la troposfera augmenti la temperatura anant cap a la altitud on hi ha un màxim de concentració d'ozó.

Data: 18 febrer 2020

• "Smog" = smoke + fog (fum i boira)
• Boirum = boira + fum :)

• L'ozó varia segons la latitud i té un flux cíclic que va d'unes latituds a unes altres.

• Reaccions heterogènies de destrucció d'ozó a l'estratosfera:
  • [math]\displaystyle{ CFC + h\nu \longrightarrow Cl = [ \; ] }[/math] (per exemple, [math]\displaystyle{ CCl_2F_2 + h\nu \longrightarrow Cl + CClF_2 }[/math])
  • [math]\displaystyle{ Cl + O_3 \longrightarrow ClO + O_2 }[/math]
  • [math]\displaystyle{ O_3 + h\nu \longrightarrow O_2 + O }[/math]
  • [math]\displaystyle{ O + ClO \longrightarrow Cl + O_2 }[/math]
  • Net: [math]\displaystyle{ 2O_3 \longrightarrow 3O_2 }[/math]

• La quantitat d'ozó ha anat disminuït les últimes dècades.

@TODO: Posar gràfic

• Forat de la capa d'ozó: disminució de la concentració d'ozó a les zones polars (per exemple l'Antàrtida).
  • Produïda no només pels CFCs, sinó per la circulació de l'atmosfera.
    • A principis de la primavera hi ha una part de l'atmosfera que queda aïllada de la resta (el vòrtex polar).

Ozó troposfèric: un contaminant

• És un contaminant secundari:

Un contaminant secundari és un contaminant que es produeix per processos derivats d'altres contaminants, que anomenem primaris (per exemple òxids de nitrogen (NO_x), etc.) o per causa de la radiació solar.

• Es forma principalment a l'estiu quan la radiació UV solar és més alta.
• El transport (temps) juga un paper molt important en la distribució geogràfica de les concentracions.

Aerosols atmosfèrics

• Un aerosol és una partícula sòlida o líquida suspesa a l'aire (ex. sòlids: cendres, pol·len, sal, pols (p. ex. del Sahara), sutge, ...)
• Poden ser d'origen natural o antropogènic i tenen un paper rellevant en el balan radiatiu, de visibilitat, la formació de núvols, ...
  • Per exemple, els volcans. Tenen un impacte global, però alguns llencen aerosol fins a la estratosfera i afecta globalment.
    • Poden arribar a afectar la temperatura mitja del planeta degut a que afecten el balanç radiatiu promig.

Data: 19 febrer 2020

Equació hidrostàtica

En un volum d'aire: [math]\displaystyle{ \left\{\begin{array}{rl} \text{Pes} & F = mg \\ \text{Pressió} & p = \frac{F}{S} \\ \text{Densitat} & \rho = \frac{m}{v} = \frac{m}{s \cdot z} \end{array}\right. \implies p = \frac{mg}{s} = \frac{\rho \cancel{s} z g}{\cancel{s}} = \rho z g }[/math] (pressió exercida per una partícula de volum unitat sobre àrea unitat), on s és l'àrea de la base del volum i z el seu gruix.

Ara prenem una "capa diferencial" de l'atmosfera, que consisteix en una base amb àrea unitat i un gruix [math]\displaystyle{ dz }[/math].

[math]\displaystyle{ dp = - \rho g dz }[/math] (variació de pressió en la columna de secció unitat)

[math]\displaystyle{ \int_{p + \Delta p}^p dp = - \int_z^{z + \Delta z} \rho g dz \implies \Delta p = \overline{\rho} g \Delta z }[/math]

Graó baromètric: [math]\displaystyle{ \Delta z, \, \Delta p = 1 \text{ hPa} }[/math] (ni idea de què és això ni en quin context ho ha mencionat, ni si està bé)

Si tenim un component "i" de l'aire, tenim:

• [math]\displaystyle{ m_{\text{columna/m}^2} = \int_{z_1}^{z_2} \rho_{\text{component}}(z) dz \overset{\text{eq. hidrost.}}{=} - \int_{p_1}^{p_2} \frac{p_{\text{comp.}}}{\rho g} \, dp = \frac{1}{g_0} \int [\text{comp}_i]_m \, dp = \frac{\overline{[\text{comp}_i]_m}}{g_0} \Delta p }[/math]

Tot i això, no utilitzaríem aquesta expressió pel vapor d'aigua. Pel vapor d'aigua, introduïm un nou concepte.

Massa d'aigua precipitable ([math]\displaystyle{ m_w }[/math])

Correspon a la massa de vapor d'aigua en una columna d'aire per sobre d'una superfície unitat.

Les unitats (típicament mm) correspondrien a l'alçada a la que arribaria l'aigua si estigués en forma líquida (en condicions normals) continguda en el volum de la columna.

[math]\displaystyle{ [\text{Massa de vapor } H_2O]_{\text{columna}} }[/math]

Per l'ozó, el gruix estàndard és de [math]\displaystyle{ 10^{-5} \text{m} }[/math] en condicions normals (Unitat-Dobson, U.D.)