Lectura 3.2.4 Calor sensible

Qh: ganancia o pérdida de calor por conducción. También conocido como calor sensible. La superficie de los océanos pierden o ganan calor dependiendo si el agua es más cálida o más fría que el aire. Si la temperatura decrece de la superficie hacia la atmósfera, la conducción de calor será en la dirección mar-atmósfera, y Qh será negativo (pérdida); lo contrario implicará que Qh es positivo (ganancia). La razón de ganancia o pérdida de calor será proporcional al gradiente de temperatura. Si el coeficiente de conductividad de calor es Ch y calor específico del aire a presión constante es Cp, entonces Qh = - CpChdT/dz El viento es un factor que modula el proceso de conducción. Moisan y Niiler (1998) expresan el componente Qh en la forma

Qh = ρ CpCh{wΔT} ,

donde ρ es la densidad del aire, w es la rapidez del viento. Para el estudio de Moisan y Niiler (1998), el término {wΔT} es el promedio mensual del producto de la rapidez del viento y la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y el aire adyacente.

Tarea4.1

Octubre 1, 2009

Tarea # 4

Parte I.

1. a) ¿ De qué variables termodinámicas depende la densidad? b) ¿Tiene solución completa la ecuación de estado del agua de mar?

2. a) ¿Cuál es el principal uso de una ecosonda en oceanografía y cómo es su funcionamiento? b) ¿Qué otra herramienta se está utilizando en la actualidad para elaborar batimetrías del fondo marino?

3. Definir: a) temperatura, b) presión y c) salinidad

4. ¿Por qué se usa la temperatura potencial en lugar de la temperatura in situ?

5. ¿La razón de aspecto nos proporciona el orden de magnitud de la importancia relativa de que cantidades?

6. ¿Con que criterio se cuantifica la importancia relativa de los movimientos de escala grande?

7. ¿Por qué está estratificado el océano?

8. ¿ Qué es el efecto invernadero?

9. ¿ Qué herramienta ha ayudado a avanzar considerablemente nuestro conocimiento de la temperatura de la superficie de los océanos?

10. ¿Por qúe el viento es un factor en la estimación del flujo de calor latente?

11. ¿Cuáles son los tres modos de transferencia de calor y entre que cuerpos se realizan?

12. En la Figura 3 se muestra el promedio anual del flujo neto de calor para el Océano Pacífico del Norte. Explique los resultados que contiene la figura. Asegúrese que en su explicación quede claro por qué en algunas regiones el flujo neto de calor (net heat flux) es positivo (ganancia) y en otras es negativo (pérdida), valorando la importancia relativa de los componentes del balance de calor. Mencione en su descripción las regiones.

Lectura 3.1 Balances de agua, sal y calor

Septiembre 29, 2009 Balances de agua, sal y calor El principio de conservación tal y como se usa en física tiene su mejor ejemplo en el caso de la conservación de energía mecánica. Si Ua es la energía potencial del sistema en el punto a, Ta es la energía cinética en el punto a, Ub es la energía potencial en el punto b, y Tb es la energía cinética en el punto b, entonces Ua + Ta = Ub + Tb = E E, la energía total, permanece constante (se conserva) durante el movimiento. Conservación de volumen

Este principio se puede discutir en varios niveles, desde el formal, usando cálculo de varias variables, hasta el más simple. Pero en cualquier caso, la idea fundamental no cambia, la que expresada en el caso simple quedaría así: si en un volumen de control el nivel del agua (incompresible) no cambia con el tiempo, entonces la entrada de agua al volumen control es igual a la salida de agua del mismo.

Ejemplo de la aplicación del principio de conservación: un estuario.

Para nuestros fines, un estuario es un cuerpo de agua semicerrado en el que hay entrada de agua dulce (salinidad cero o casi nula) por descarga de río y entrada de agua salada por estar en comunicación con el mar adyacente. En al figura de arriba se muestran cuatro tipos de estuarios, los que se diferencian entre si según la importancia relativa del flujo del río con respecto al flujo del agua de mar.

En el estudio del balance de agua del estuario entran los aportes siguientes:

• Evaporación
• Precipitación
• Agua de río
• Agua de mar

Conservación de volumen en el estuario:

Salida neta de agua de mar = Entrada neta de agua dulce = Volumen total

Note que el principio de conservación de volumen implica para ese caso que el nivel del estuario no cambia, pero si la entrada de agua dulce cambia, también cambiará la salida neta de agua de mar. Es decir el principio implica movimiento. El volumen total permanece constante durante el movimiento. (En los estuarios el nivel del mar cambia con el tiempo, por lo que se considera que lo que se tiene en este caso es el promedio temporal del nivel del mar, para un tiempo suficientemente grande).

Note además que el agua de mar que sale en realidad es agua de mar mezclada con agua dulce.

En un estuario la estratificación es muy fuerte, tal que por lo general se establecen dos capas. En la capa inferior está el agua pesada, agua salada, y en la capa inferior el agua ligera, agua dulce. En la interfase es donde generalmente se produce la mezcla. Por la capa superior sale el agua mezclada ligera y por la capa inferior entra la agua salada pesada. Esto es lo que se conoce como circulación estuarina (ver figura).

Conservación de sal

El principio de conservación de sal diría que la cantidad total de sales disueltas en el océano es constante, pero el aporte de sales disueltas por los ríos lo contradice. Sin embargo, el aporte por los ríos es una cantidad pequeña comparada con las sales totales, la primera es del O (10 ^12 kg/año) y la segunda del O ( 10^ 19 kg). De tal forma que es sustentable considerar que se cumple el principio.

En el caso del estuario el principio se establece así:

Flujo total de sal que entra con el agua de mar = Flujo total de sal que sala con el agua estuarina = Cantidad total de sal

Referencias basicas. - Pickard and Emery (1990), Descriptive Physical Oceanography. Capitulo 5. - Stewart. Capitulo 5.

3.2.3 Radiación de onda larga

Qb: radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra, la atmósfera y las nubes.

También conocida como radiación infrarroja. Las longitudes de onda de esta radiación son más largas que la longitud de onda del color rojo en la parte visible del espectro.

Factores que afectan Qb:

1. Tamaño de las nubes.
2. Altura de las nubes.
3. Cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Una atmósfera más húmeda deja escapar menos calor hacía el espacio.
4. Temperatura del agua.
5. Cubierta de hielo y nieve.

En éste applet se simulan los efectos de 1 y 2:

http://people.cas.sc.edu/carbone/modules/mods4car/longwave/index.html

Una fórmula empírica para calcular Qb la proporcionan Moisan y Niiler (1998) en su trabajo sobre el balance de calor del Pacífico del Norte,

Qb = ε sigma Ta^4 (0.254-0.00495 e)(1-cn) + 4sigma ε Ta^3 (Ts-Ta)

donde ε es la constante de Stefan, Ta es la temperatura del aire, Ts es la temperatura del agua, e es la presión del vapor del agua, c es un factor de corrección por nubes, n es la fracción del cielo cubierto de nubes.

3.2.2 Radiación de onda corta

Qs: radiación de onda corta emitida por el Sol. Su espectro de longitudes de onda lo determina la temperatura del Sol.

Factores que afectan Qs:

1. Longitud del día (tiempo del Sol arriba del horizonte): depende de la latitud y la estación.
2. Absorción y dispersión en la atmósfera por las nubes, los gases de efecto invernadero, los aerosoles y el polvo: depende de los coeficientes de absorción y de la elevación del Sol.
3. Inclinación solar, la que se puede definir a través del ángulo que forma el vector paralelo al horizonte y el vector paralelo a la dirección de incidencia de la radiación solar.
4. El área de la superficie que absorbe la radiación: depende de elevación del Sol.
5. Reflectividad (albedo) : depende del ángulo de la inclinación solar y la rugosidad del mar.

La radiación solar que incide sobre la superficie del mar depende de esos factores. Pero a fin de cuentas, las estaciones se establecen por los cambios en el flujo de la radiación solar sobre la superficie de la tierra. En éste applet se simulan los efectos de las estaciones sobre la inclinación solar y el área de la superficie que absorbe la radiación.

http://people.cas.sc.edu/carbone/modules/mods4car/earthsun/index.html

En este otro applet se muestra el efecto sobre Qs de las nubes, el albedo, la latitud, estación y la hora del día.

http://people.cas.sc.edu/carbone/modules/mods4car/shortwave/sw.html

Los cálculos de los componentes del balance de calor para los océanos se basan en fórmulas empíricas, que contienen cantidades determinadas o estimadas con instrumentos en los barcos oceanográficos y por satélites.

Por ejemplo, según Gill (1982) Qs se puede calcular como el producto de Qs0, el flujo neto de radiación solar sin nubes, el factor (1-α) donde α es el albedo de la superficie, y un factor de corrección por nubes, en la forma

Qs = Qs0(1-α)(1-0.7 n),

donde n es la fracción del cielo cubierto de nubes.

Vocabulario

Aerosoles, el IPCC los define como: "Grupo de partículas solidas o líquidas transportadas por el aire, en un tamaño de 0.01 a 10 mm, que pueden sobrevivir en la atmósfera al menos sobre unas horas".

Lectura 3.2.1 Efecto invernadero

3.3 Efecto invernadero

En palabras del IPCC: "Los gases de efecto invernadero absorben la radiación infrarroja, emitida por la superficie de la Tierra, por la propia atmósfera debido a los mismos gases, y por las nubes. La radiación atmosférica se emite en todos sentidos, incluso hacia la superficie terrestre. Los gases de efecto invernadero atrapan el calor dentro del sistema de la troposfera terrestre. Al efecto se le denomina 'efecto invernadero natural'".

Los gases de efecto invernadero son principalmente: vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O), metano (CH4) y ozono (O3).

El efecto invernadero se puede explicar con un modelo simple considerando un sistema suelo-vidrio, en el que el vidrio es transparente a la radiación de onda corta, pero absorbe parcialmente radiación de onda larga.

La inclusión del vidrio causará que la temperatura del suelo alcance una temperatura más alta que en ausencia de él por un factor de 1.19.

Conservacion de calor

Conservación de calor

Los componentes del balance de calor entre el oceano y la atmosfera serán

Qs = razón de ganancia a través de la superficie del mar (+). Transmisión de calor por radiación.

Qb = razón neta de pérdida por el mar por radiación de onda larga a la atmósfera y al espacio (-). Transmisión de calor por radiación.

Qh = razón de ganancia o pérdida a través de la superficie del mar por conducción (+; -). Transmisión de calor por conducción.

Qe = razón de ganancia /pérdida a través de la superficie por condensación/evaporación (+;-). Transmisión de calor latente (calor de transformación).

Donde se han omitido otras fuentes de calor, por ejemplo, el que aporta el interior de la Tierra y el calor generado por las olas en la rompiente, entre otros.

Adveccion de calor

Las corrientes marinas llevan calor (advectan calor).

Este medio de transporte de calor es realizado por la divergencia del campo horizontal de velocidad. De tal manera que la ecuacion de conservacion de calor para una porcion del oceano, digamos la capa superior, se puede expresar como:

Razón de almacenamiento de calor + divergencia del transporte de calor = flujo neto de calor océano-atmósfera.

El flujo neto de calor océano-atmósfera (NHF) viene dado por los componentes

NHF = Qs - Qb - Qh - Qe

Lectura 3.2.5 Calor latente

Qe: pérdida de calor debido al proceso de evaporación. Calor latente o calor de transformación es el calor cedido o capturado por unidad de masa de una sustancia cuando ésta experimenta un cambio de estado.

El viento modula el proceso de evaporación. Una fórmula empírica para calcular Qe la proporcionan Moisan y Niiler (1998) en su trabajo sobre el balance de calor del Pacífico del Norte,

Qe = ρ L Ce {wΔq} donde ρ es la densidad del aire, L es el calor latente por unidad de masa, Ce es el coeficiente de transferencia de calor latente. El término {wΔq} es el promedio mensual del producto de la rapidez del viento y la diferencia de la humedad de saturación del agua y la humedad del aire.

Ya que la evaporación (E) por unidad de área y unidad de tiempo se define como E = ρ Ce {wΔq}, entonces Qe = LE