Troposfera

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La troposfera o tropósfera es la primera y más baja capa de la atmósfera de la Tierra, y contiene el 75% de la masa total de la atmósfera planetaria, el 99% de la masa total de vapor de agua y aerosoles, y es donde ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos. Desde la superficie planetaria de la Tierra, la altura promedio de la troposfera es de 18 km (11 millas; 59 000 pies) en los trópicos; 17 km (11 millas; 56 000 pies) en las latitudes medias; y 6 km (3,7 millas; 20 000 pies) en las latitudes altas de las regiones polares en invierno; por lo tanto, la altura promedio de la troposfera es de 13 km (8,1 millas; 43 000 pies).

El término troposfera deriva de las palabras griegas tropos (rotación) y sphaira (esfera), lo que indica que la turbulencia rotacional mezcla las capas de aire y determina así la estructura y los fenómenos de la troposfera.La fricción rotacional de la troposfera contra la superficie planetaria afecta el flujo del aire y, por lo tanto, forma la capa límite planetaria (PBL) que varía en altura desde cientos de metros hasta 2 km (1,2 millas; 6600 pies). Las medidas de la PBL varían según la latitud, el relieve y la hora del día en que se realiza la medición meteorológica. Encima de la troposfera se encuentra la tropopausa, que es el límite atmosférico funcional que delimita la troposfera de la estratosfera. Como tal, debido a que la tropopausa es una capa de inversión en la que la temperatura del aire aumenta con la altitud, la temperatura de la troposfera permanece constante. La capa tiene la mayor concentración de nitrógeno.

Estructura de la troposfera

Composición

En la atmósfera planetaria de la Tierra, un volumen de aire seco se compone de 78,08 % de nitrógeno, 20,95 % de oxígeno, 0,93 % de argón, 0,04 % de dióxido de carbono, gases traza y cantidades variables de vapor de agua. Las fuentes del vapor de agua atmosférico son los cuerpos de agua (océanos, mares, lagos, ríos, pantanos) y la vegetación de la superficie planetaria, que humedecen la troposfera a través de los procesos de evaporación y transpiración respectivamente, y que influye en la ocurrencia del clima. fenómenos; la mayor proporción de vapor de agua se encuentra en la atmósfera más cercana a la superficie de la Tierra. La temperatura de la troposfera disminuye a gran altura a través de las capas de inversión que se producen en la tropopausa, que es el límite atmosférico que delimita la troposfera de la estratosfera. En altitudes más altas,

Presión

La presión máxima del aire (peso de la atmósfera) está al nivel del mar y disminuye a gran altura porque la atmósfera está en equilibrio hidrostático, en el que la presión del aire es igual al peso del aire sobre un punto dado en la superficie planetaria. La relación entre la disminución de la presión del aire y la gran altitud se puede equiparar a la densidad de un fluido, mediante la siguiente ecuación hidrostática: ${displaystyle {frac {dP}{dz}}=-rho g_{n}=-{frac {mPg_{n}}{RT}}}$

donde:

g _n es la gravedad estándar
ρ es la densidad

z es la altitud
P es la presión
R es la constante de los gases
T es la temperatura termodinámica (absoluta)
m es la masa molar

Temperatura

La superficie planetaria de la Tierra calienta la troposfera mediante calor latente, radiación térmica y calor sensible. Las capas de gas de la troposfera son menos densas en los polos geográficos y más densas en el ecuador, donde la altura promedio de la troposfera tropical es de 13 km, aproximadamente 7,0 km más que la altura promedio de 6,0 km de la troposfera polar en los polos geográficos; por lo tanto, el exceso de calentamiento y la expansión vertical de la troposfera ocurren en las latitudes tropicales. En las latitudes medias, las temperaturas troposféricas disminuyen desde una temperatura promedio de 15 °C (59 °F) al nivel del mar hasta aproximadamente -55 °C (-67 °F) en la tropopausa. En el ecuador, las temperaturas troposféricas disminuyen desde una temperatura promedio de 20 °C (68 °F) al nivel del mar hasta aproximadamente -70 °C a -75 °C (-94 a -103 °F) en la tropopausa.Altitud

La temperatura de la troposfera disminuye con el aumento de la altitud, y la tasa de disminución de la temperatura del aire se mide con el Environmental Lapse Rate ( $-dT/dz$ ) que es la diferencia numérica entre la temperatura de la superficie planetaria y la temperatura de la tropopausa dividida por la altitud. Funcionalmente, la ecuación ELR asume que la atmósfera planetaria es estática, que no hay mezcla de las capas de aire, ya sea por convección atmosférica vertical o vientos que puedan crear turbulencia.

La diferencia de temperatura se deriva de la superficie planetaria que absorbe la mayor parte de la energía del sol, que luego irradia hacia el exterior y calienta la troposfera (la primera capa de la atmósfera de la Tierra), mientras que la radiación del calor de la superficie a la atmósfera superior produce el enfriamiento. de esa capa de la atmósfera. La ecuación ELR también asume que la atmósfera es estática, pero el aire caliente se vuelve flotante, se expande y se eleva. La tasa de caída adiabática seca (DALR) explica el efecto de la expansión del aire seco a medida que asciende en la atmósfera, y la tasa de caída adiabática húmeda (WALR) incluye el efecto de la tasa de condensación del vapor de agua sobre la tasa de caída ambiental..

Región de altitud	tasa de lapso	Tasa de lapso
(metro)	(°C/km)	(°F / 1000 pies)
0.0 – 11,000	6.50	3.57
11,000 – 20,000	0.0	0.0
20,000 – 32,000	−1,0	−0,55
32,000 – 47,000	−2,8	−1,54
47.000 – 51.000	0.0	0.0
51.000 – 71.000	2.80	1.54
71.000 – 85.000	2.00	1.09

Compresión y expansión

Una porción de aire se eleva y se expande debido a la menor presión atmosférica a gran altura. La expansión de la parcela de aire empuja hacia afuera contra el aire circundante y transfiere energía (como trabajo) de la parcela de aire a la atmósfera. La transferencia de energía a una porción de aire por medio del calor es un intercambio de energía lento e ineficiente con el medio ambiente, que es un proceso adiabático (sin transferencia de energía por medio del calor). Como la porción de aire ascendente pierde energía mientras actúa sobre la atmósfera circundante, no se transfiere energía térmica de la atmósfera a la porción de aire para compensar la pérdida de calor. La parcela de aire pierde energía a medida que alcanza mayor altitud, lo que se manifiesta como una disminución de la temperatura de la masa de aire. Análogamente,

La compresión y la expansión de un paquete de aire son fenómenos reversibles en los que la energía no se transfiere hacia adentro ni hacia afuera del paquete de aire; La compresión y expansión atmosféricas se miden como un Proceso Isentrópico ( ${ estilo de visualización dS = 0}$ ) en el que no se produce ningún cambio en la entropía a medida que la porción de aire sube o baja dentro de la atmósfera. Como el calor intercambiado ( ${displaystyle dQ=0}$ ) está relacionado con el cambio de entropía ( $dS$ por ${displaystyle dQ=TdS}$ ), la ecuación que rige la temperatura del aire en función de la altitud para una atmósfera mixta es: ${ estilo de visualización { frac {, dS ,} {dz}} = 0}$ donde S es la entropía. La ecuación isoentrópica establece que la entropía atmosférica no cambia con la altitud; la tasa de caída adiabática mide la tasa a la que la temperatura disminuye con la altitud en tales condiciones.Humedad

Si el aire contiene vapor de agua, el enfriamiento del aire puede hacer que el agua se condense y el aire ya no funcione como un gas ideal. Si el aire está a la presión de vapor de saturación, entonces la tasa a la que la temperatura disminuye con la altitud se denomina tasa de caída adiabática saturada. La tasa real a la que la temperatura disminuye con la altitud es la tasa de variación ambiental. En la troposfera, la tasa ambiental promedio es una disminución de alrededor de 6,5°C por cada 1,0 km (1000 m) de aumento de altitud. Para aire seco, un gas aproximadamente ideal, la ecuación adiabática es: ${displaystyle p(z){Bigl [}T(z){Bigr ]}^{-{frac {gamma }{,gamma ,-,1,}}}={ texto{constante}}}$ donde $gama$ es la relación de capacidad calorífica (⁷ ⁄ ₅) para el aire. La combinación de la ecuación para la presión del aire produce la tasa de gradiente adiabático seco:. ${ estilo de visualización gamma aproximadamente ,}$ ${displaystyle {frac {,dT,}{dz}}=-{frac {;mg;}{R}}{frac {;gamma ,-,1;} { gamma }}=-9.8^{circ }mathrm {C/km} }$ Medioambiente

La tasa de variación ambiental ( $dT/dz$ ), a la que la temperatura disminuye con la altitud, por lo general no es igual a la tasa de variación adiabática ( $dS/dzneq 0$ ). Si el aire superior es más cálido de lo previsto por la tasa de gradiente adiabático (0">), entonces una porción de aire que se eleva y se expande llegará a la nueva altitud a una temperatura más baja que el aire circundante. En cuyo caso, el paquete de aire es más denso que el aire circundante y, por lo tanto, vuelve a caer a su altura original como una masa de aire que es estable contra el levantamiento. Si el aire superior es más frío de lo previsto por la tasa de gradiente adiabático, entonces, cuando la parcela de aire se eleve a una nueva altitud, la masa de aire tendrá una temperatura más alta y una densidad más baja que el aire circundante y continuará acelerándose y ascendiendo.

Tropopausia

La tropopausa es la capa límite atmosférica entre la troposfera y la estratosfera, y se localiza midiendo los cambios de temperatura en relación con el aumento de altitud en la troposfera y en la estratosfera. En la troposfera, la temperatura del aire disminuye a gran altura, sin embargo, en la estratosfera la temperatura del aire inicialmente es constante y luego aumenta con la altitud. El aumento de la temperatura del aire en altitudes estratosféricas resulta de la absorción y retención de la radiación ultravioleta (UV) que la Tierra recibe del Sol por parte de la capa de ozono.La capa más fría de la atmósfera, donde la tasa de variación de la temperatura cambia de una tasa positiva (en la troposfera) a una tasa negativa (en la estratosfera) ubica e identifica la tropopausa como una capa de inversión en la que se produce una mezcla limitada de capas de aire entre las la troposfera y la estratosfera.

Flujo atmosférico

El flujo general de la atmósfera es de oeste a este, el cual, sin embargo, puede ser interrumpido por flujos polares, ya sea de norte a sur o de sur a norte, que la meteorología describe como flujo zonal y como flujo meridional. caudal. Los términos se utilizan para describir áreas localizadas de la atmósfera a escala sinóptica; el modelo de tres celdas explica más completamente los flujos zonales y meridionales de la atmósfera planetaria de la Tierra.

Modelo de tres celdas

El modelo de tres celdas de la atmósfera de la Tierra describe el flujo real de la atmósfera con la celda de Hadley de latitud tropical, la celda de Ferrel de latitud media y la celda polar para describir el flujo de energía y la circulación de la atmósfera planetaria.. El equilibrio es el principio fundamental del modelo: que la energía solar absorbida por la Tierra en un año es igual a la energía radiada (perdida) en el espacio exterior. Ese balance de energía de la Tierra no se aplica por igual a cada latitud debido a la fuerza variable de la luz solar que incide en cada una de las tres células atmosféricas, como consecuencia de la inclinación del eje del planeta Tierra dentro de su órbita del Sol. La circulación atmosférica resultante transporta aire tropical cálido a los polos geográficos y aire polar frío a los trópicos.

Flujo zonal

Un régimen de flujo zonal es el término meteorológico que significa que el patrón de flujo general es de oeste a este a lo largo de las líneas de latitud de la Tierra, con ondas cortas débiles incrustadas en el flujo. El uso de la palabra "zona" se refiere al flujo a lo largo de las "zonas" latitudinales de la Tierra. Este patrón puede doblarse y convertirse así en un flujo meridional.

Flujo meridional

Cuando el flujo zonal se dobla, la atmósfera puede fluir en una dirección más longitudinal (o meridional), y así surge el término "flujo meridional". Los patrones de flujo meridional presentan valles fuertes y amplificados de baja presión y crestas de alta presión, con más flujo de norte a sur en el patrón general que de oeste a este.