Capítulo_8_-_Física_de_la_atmósfera

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Física De La Atmosfera
Mgtr. Ing. Raúl La Madrid Olivares
raul.lamadrid@udep.pe
SECCION FÍSICA
www.udep.edu.pe
Av Ramón Mugica 131. Piura. Perú
1
2
Definiciones
•Física de la atmósfera: Es la Ciencia que estudia los procesos y
fenómenos físicos que ocurren en la atmósfera terrestre.
•Atmósfera:Capa gaseosa que rodea a la Tierra. Se extiende desde la
superficie hasta aproximadamente 100km de altura ( 1.5% del radio de
la Tierra, RT=6380 km)
ESTRUCTURA DE LA ATMOSFERA
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http://1.bp.blogspot.com/_lt7S_t18sao/SB9Xv-o8dHI/AAAAAAAAAjg/pn22G-esSQY/s1600-h/3+Estructura+de+la+Atmósfera.bmp
4
Referencia: Curso Ecología. Maestría Gestión y Auditorías ambientales.
Troposfera (0 – 12 km)
5
Es la capa inferior, la más baja y de mayor densidad, donde todos los seres 
vivos habitamos. Es la sede de la vida y donde se forman la mayor parte de 
las nubes. Esta compuesta, mayoritariamente, por nitrógeno y Oxígeno
Referencia: Página web -
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/AYC/document/atmosfera_y_clima/
atmosfera/estructAtmosf.htm
Estratosfera (12 -48 km)
6
La principal característica de la estratosfera es que en ella se encuentra
la Capa de Ozono, la cual ejerce una acción protectora absorbiendo los
rayos ultravioleta procedentes del sol . Por encima de la estratosfera pero
por debajo de la mesosfera se encuentra la Estratopausa
Mesosfera (48 – 80 km)
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La mesosfera es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. La
temperatura disminuye a medida que se sube, como sucede en la
troposfera. Puede llegar a ser hasta de -90° C. Es la zona más fría de la
atmósfera.
 Ionosfera (80 – 500 km)
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Es una capa compuesta por gases ionizados producto de la radiación
ultravioleta, los rayos X y la lluvia de electrones procedentes del sol.
Esta capa refleja las ondas de radio que emiten las estaciones de la
tierra.
Exosfera (500 -1000km)
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Los últimos vestigios de la Atmósfera pertenecen esta capa. Como en la
Exósfera no hay rastros de vapor de agua ni de polvo que refracten y
difundan la luz, el firmamento aparece negro, y constelado de estrellas
titilantes
PARAMETROS ATMOSFÉRICOS 
Los parámetros atmosféricos son aquellos que determinan las 
condiciones meteorológicas de un lugar específico.
Los principales parámetros se muestran en la tabla
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Parámetro Unidad Medidor
Temperatura C Termómetro
Presión atmosférica mB Barómetro
Humedad Relativa % Higrómetro
Velocidad del viento
Dirección del viento
m/s
Angulo de Azimuth
Anemómetro
Radiación Solar W/m2
Piranómetro
Radiómetro
Lluvia mm Pluviómetro
Punto de Rocío C Higrómetro
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Los puntos de los de la brújula y el azimut
Referencia: Página web -
http://meteorologytraining.tpub.com/14269/css/14269_55.htm
Instrumentación meteorológica
-Estaciones Meteorológicas.-
Lugar equipado con los instrumentos para la medida de los parámetros 
meteorológicos.
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Radares Meteorológicos
Sistemas de detección remota de parámetros atmosféricos mediante el uso de 
ondas electromagnéticas.
En el campus de UDEP esta instalado un radar atmosférico que mide la 
velocidad y dirección de vientos de altura entre 1km a 20 km de altura.
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Datos de parámetros meteorológicos registrados por la estación 
meteorológica de UDEP están disponibles en:
http://www.ing.udep.edu.pe/radartest/Current_Vantage_Pro_Plus.htm
http://www.ing.udep.edu.pe/radartest/Current_Vantage_Pro_Plus.htm
AIRE ATMOSFERICO
Es la mezcla de nitrógeno, oxigeno y pequeñas cantidades de otros
gases. Normalmente, el aire en la atmosfera contiene cierta cantidad
de vapor de agua (humedad) y se conoce como aire atmosférico.
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Composición aire atmosférico
Referencia: Página web -
http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/oxigeno
• La composición del aire se presenta en la siguiente tabla :
Componente Símb. P.M. % 
Vol.
% masa
1 Nitrógeno N2 28.02 78.08 75.51
2 Oxigeno O2 32.00 20.95 23.14
3 Argón Ar 39.95 0.93 1.28
4 Vapor de 
agua
H20 18.02 0-2.5
5 Dióxido de 
Carbono
CO2 44.01 0.03 0.0005
6 Neón Ne 20.18 0.0018
7 Helio He 4.00 0.0005
8 criptón Kr 83.70 0.0001
9 Hidrogeno H2 2.02 0.00006
10 Ozono O3 48.00 0.00004
11 Xenón 0.000008
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El vapor de agua juega un papel importante en los procesos
atmosféricos pues cambia de fase a temperaturas ambientales lo cual
conlleva a una transferencia de masa y energía (calor) con la
atmósfera.
Según la concentración de humedad en el aire, este se puede clasificar
en:
• AIRE SECO: es el aire en el cual el contenido de vapor de agua es
cero.
• AIRE HUMEDO: es el aire cuyo contenido de vapor de agua es
diferente de cero. Es el que llamamos anteriormente como “aire
atmosférico”.
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EL VAPOR DE AGUA
LEY DE DALTON 
La presión total de una mezcla de gases o vapores que no reaccionan
químicamente es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercería si
existiera sólo a la temperatura y volumen de la mezcla.
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 
1
,
k
m i m m
i
P P T V


 


Exacta para gases ideales, 
aproximada para gases reales.
Presión parcial del vapor (ppv) y presión de vapor 
saturado (pvs)
Presión parcial del vapor (Pv): Es la presión parcial del vapor de agua. Se
define como la presión que el vapor de agua ejercería si existiera sólo a la
temperatura y volumen del aire atmosférico.
Presión de vapor saturado (Pg): Es la presión del vapor cuando éste se
encuentra saturado a una determinada temperatura. La presión de vapor es
solamente función de la temperatura.
19
20
Para aire saturado, la presión parcial del vapor es igual a la presión de 
saturación del agua.
Humedad
Es la cantidad de agua presente en el aire de la atmosfera. Se distinguen 
dos tipos de humedades:
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Humedad absoluta o especifica (HE ó ω): masa de vapor de agua
presente por cada unidad de masa de aire seco.
2
.sec
vaporH O
aire o
m kg vapor deagua
m kg aire seco

 
  
 
/ /
0.622
/ /
vaporv v v v
a a a a aire
Pp V R T p R
p V R T p R P
      
0.622 vapor
total vapor
P kg vapor deagua
P P kg aire seco

 
  
  
Humedad relativa (Φ): relación entre la cantidad de vapor de agua en el aire y 
la cantidad máxima de vapor que puede admitir este.
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v
g
m
m
 
Cuando la humedad relativa es igual a uno (Φ=1), dice que el aire esta
saturado, lo cual indica que ya no le es posible contener más vapor de agua,
por lo que si existe un aumento en el contenido de vapor de agua en el aire se
produciría una condensación
v
g
P
P
 
Donde: Pg=Psat @ T
Ejercicio
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La habitación de 5mx5mx3m que se representa en la figura,
contiene aire a 25°C y 100kPa, a una humedad relativa de 75%.
Determine
a) La presión parcial del aire seco
b) La humedad específica
c) Las masas del aire seco y del vapor de agua en el cuarto.
Datos
Presión de saturación a 25°C: Psat@25°C=3.1698 kPa.
0.287
.
0.4615
.
aire
vapor deagua
kJR
kg K
kJR
kg K


24
NOTA:
25
La temperatura ordinaria del aire atmosférico se conoce como la
temperatura de bulbo seco para diferenciarla de otras formas de
temperatura que deben estudiarse.
Termómetro convencional para medición 
de temperatura de bulbo seco.
Referencia: Página web -
http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura_de_bulbo_seco
PUNTO DE ROCÍO
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Referencia: Página web -
http://www.agcemo.com/akutzin/2008/01/roco-matutino.html
Punto de rocío
El punto de rocío se determina por la temperatura del punto de Rocío (Tpr), que
es la temperatura a la cual se inicia la condensación si enfriamos el aire
manteniendo constante la presión.
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@
v
pr sat PT T
LEYENDA
Pg1: Presión de vapor saturado a T1
Pv1: Presión parcial del vapor a T1
Pg2: Presión de vapor saturado a T2
LEYENDA
Pg1: Presión de vapor saturado a T1
Pv1: Presión parcial del vapor a T1
Pg2: Presión de vapor saturado a T2
¿POR QUÉ “SUDA” UNA BEBIDA HELADA?
• Muchas veces hemos visto que cuando dejamos una bebida helada fuera
del refrigeradoresta “suda” , esto también tiene su fundamento en el punto
de rocío.
• Cuando el aire atmosférico interactúa con la superficie del embace, que
esta a una temperatura por debajo del punto de rocío, el aire que rodea al
embace en al proximidades se satura y posteriormente, producto de la baja
temperatura del embace se produce la condensación en la superficie del
mismo.
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http://www.google.com.pe/imgres?q=rocio+cerveza&um=1&hl=es&biw=1249&bih=615&tbm=isch&tbnid=v8MvJCH3uXcJZM:&imgrefurl=http://es.123rf.com/photo_7417874_vaso-de-cerveza-con-burbujas-de-roc-o-fondo-para-las-obras-de-dise-o.html&docid=mwVe164hUIc6dM&imgurl=http://us.123rf.com/400wm/400/400/pashabo/pashabo1007/pashabo100700124/7417874-vaso-de-cerveza-con-burbujas-de-roc-o-fondo-para-las-obras-de-dise-o.jpg&w=400&h=286&ei=zR6OT6-LMZK-gAeWmYmTDg&zoom=1&iact=hc&vpx=530&vpy=145&dur=3527&hovh=190&hovw=266&tx=175&ty=129&sig=112357329977646532656&page=1&tbnh=126&tbnw=168&start=0&ndsp=21&ved=1t:429,r:3,s:0,i:67
La evaporación ocurre en la interfase vapor-líquido,
cuando la presión de vapor del aire es menor
que la de saturación del líquido a una
temperatura dada.
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EVAPORACIÓN
Por ejemplo, el agua en un lago a 20°C se evapora
hacia el aire a 20°C y humedad relativa de 60%, ya
que la presión de saturación del agua a esa
temperatura es 2.3 kPa y la presión de vapor del
aire en las condiciones mencionadas es 1.4 kPa.
Se encuentran otros ejemplos de evaporación en
el secado de ropa, frutas y vegetales; la
evaporación del sudor para enfriar el cuerpo.
VARIACION DE LA PRESION CON LA ALTURA
Podemos definir la presión como:
Donde:
P: Presión
F: Fuerza
A: Área
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F
P
A

33
Basándonos en esto tenemos que:
Llegamos a esta conclusión:
34
2
2
2
2
1 2
1
. .
. .
. . .
. . .
. .
A r
V A H H r
F m g V g
F H r g
F H r g
P
A r
P H g



 
 



 
 

 

2
2
2
2
2 2
2
. .
. .
. . .
.. .
. .
A r
V A h h r
F m g V g
F h r g
F r g
P
A r
P h g



 
 



 
 

 

35
g
dh
dp

RT
pM
V
m

La ecuación de variación de la presión atmosférica con la altura puede
deducirse a partir de la ecuación hidrostática.
Considerando el aire como un gas ideal obtenemos que
Variación de la presión con la altura
Atmósfera Isotérmica (T = cte.)
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( )Mg RT h ah
o op p e p e
  
Donde:
0.034216Mg
a
RT T
 
0.029aire
kg
M
mol

2
9.81
m
g
s

8.31451
.
J
R
mol K

Atmósfera Politrópica (T disminuye linealmente)
po = 1013.25 mB
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( ) oT h T h 
M g R M g R
o
o o
o o
T h T
p p p
T T
 
   
    
   
5 / 0.005 /K km K m  
(0.029)(9.81)
6.8469
(8.31)(0.005)
Mg
R
 

Ciclo Hidrológico
El ciclo hidrológico se podría definir como el proceso que describe la ubicación
y el movimiento del agua en nuestro planeta. Es un proceso continuo en el que
una partícula de agua evaporada del océano vuelve al océano después de
pasar por las etapas de precipitación, escorrentía superficial y/o escorrentía
subterránea.
El concepto de ciclo se basa en el permanente movimiento o transferencia de
las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro, como entre sus
diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Este flujo de agua se produce
por dos causas principales: la energía Solar y la gravedad.
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• Las fases del ciclo se muestran en la siguiente figura:
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Efecto Invernadero
El efecto invernadero es un fenómeno natural que ha desarrollado nuestro
planeta para permitir que exista la vida y se llama así precisamente porque la
Tierra funciona como un verdadero invernadero
El efecto invernadero es el proceso por el que ciertos gases de la atmósfera
retienen gran parte de la radiación infrarroja emitida por la Tierra y la re-emiten
de nuevo a la superficie terrestre calentando la misma
Este fenómeno evita que la energía solar recibida constantemente por la Tierra
vuelva inmediatamente al espacio, produciendo a escala mundial un efecto
similar al observado en un invernadero.
40
Referencia: Curso Climatología y Medio ambiente. Maestría Gestión y Auditorías ambientales.
41
Las radiaciones solares que llegan
a la Tierra entran, en su mayor
parte, dentro del espectro de
frecuencias del visible y del
ultravioleta; sin embargo, tan sólo
el 70% aproximadamente de estas
radiaciones es absorbido por la
superficie terrestre y la atmósfera.
El 30% restante es reflejado antes
hacia el espacio exterior por la
atmósfera y las nubes. De la
radiación [W/m2] de radiación que
es absorbida pierden parte de su
energía con el impacto y, por
consiguiente, son reflejados con
una mayor longitud de onda,
entrando en la zona del infrarrojo
en el espectro de frecuencias.
Referencia: Curso Climatología y Medio ambiente. 
Maestría Gestión y Auditorías ambientales.
Gases de Efecto Invernadero:
Los denominados gases de efecto invernadero o gases invernadero,
responsables del efecto descrito, son:
 Vapor de agua (H2O)
 Dióxido de carbono (CO2)
 Metano (CH4)
 Óxidos de nitrógeno (N2O)
 Ozono (O3)
 Clorofluorocarbonos (CFC)
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El metano absorbe 20 veces más energía que el CO2, el ozono 
(O3) unas 2000 veces más y los clorofluorocarbonos todavía más.
Si bien todos ellos (salvo los CFC) son naturales, en tanto que ya existían en
la atmósfera antes de la aparición del hombre, desde la Revolución industrial y
debido principalmente al uso intensivo de los combustibles fósiles en las
actividades industriales y el transporte, se han producido sensibles
incrementos en las cantidades de óxido de nitrógeno y dióxido de carbono
emitidas a la atmósfera, con el agravante de que otras actividades humanas,
como la deforestación, han limitado la capacidad regenerativa de la atmósfera
para eliminar el dióxido de carbono, principal responsable del efecto
invernadero.
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46
PARÁMETRO CO2 CH4 N2O O3 CFCs
Concentración en 1993
362
( ml/l)
1,75
( ml/l)
313 
(nl/l)
20
(nl/l)
0,6 
(nl/l)
Concentración (1765)
280 
( ml/l)
0,8
( ml/l)
288
(ml/l)
15
(ml/l)
---
% de contribución al calentamiento 
global del planeta 1
50 19 4 8 17
Persistencia (años) 100 10 150 0.1 100
1 Los porcentajes excluyen a las moléculas de vapor agua, que son las que más contribuyen al efecto invernadero (se 
tendría que añadir un 65% a los valores de la tabla). 
Valores de algunos de los parámetros que caracterizan a 
los principales gases invernadero
Los problemas actuales que tiene la atmósfera se deben principalmente al
crecimiento poblacional y a las actividades que el hombre desarrolla en la
superficie de la Tierra, que implican la emisión, cada vez mayor, de gases a la
atmósfera. Debido a esta emisión la atmósfera terrestre tiene ahora los siguientes
problemas:
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Problemas actuales de la atmósfera terrestre
Contaminación: Emisión de gases tóxicos debido a la actividad antropogenica
Actividades  Antropogenicas  Emisión de gases a la atmosfera 
Contaminación de la atmosfera  Lluvia acida.
Calentamiento Global: Esta causando el cambios climáticos en toda la Tierra
Actividades Antropogenicas  Emisión de gases a la atmosfera  Aumento del 
efecto Invernadero  Calentamiento Global  Cambio Climático
Destrucción de la capa de Ozono: Destrucción del Ozono atmosférico por la 
emisión de CFC
Actividades Antropogenicas  Emisión de gases a la atmosfera (CFC) 
Destrucción de la Capa de Ozono  Efectos de los rayos UV.
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