Este documento trata sobre la atmósfera terrestre. Explica que la atmósfera se formó hace 4600 millones de años y ha ido cambiando su composición con el tiempo debido a procesos geológicos y biológicos. Actualmente, los principales gases de la atmósfera son nitrógeno, oxígeno y argón. La atmósfera se divide en capas de acuerdo a cómo varía la temperatura con la altura: la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la termosfera. La mayor

3. Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Ambiental
SEMANA 2
. La atmósfera.
Formación de la atmósfera
Composición de la atmósfera
Estructura y capas de la atmósfera
La troposfera
Termodinámica de la atmósfera
Ecuación hidrostática
Ecuaciones fundamentales
Casos aplicativos: Para Chimbote y Lima
Practica: taller - video
¿CÓMO SE FORMÓ LA ATMÓSFERA? ATMÓSFERA
TERRESTRE: COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y ORIGEN
PROFESOR
L. MATOS CALDAS

4. Formación de la Atmósfera.
 La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra.
Comenzó a formarse hace unos 4600 millones de años con el
nacimiento de la Tierra. La mayor parte de la atmósfera primitiva se
perdería en el espacio, pero nuevos gases y vapor de agua se fueron
liberando de las rocas que forman nuestro planeta.
 La atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra
estaría formada por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y
nitrógeno, junto a muy pequeñas cantidades de hidrógeno (H2) y
monóxido de carbono pero con ausencia de oxígeno. Era una
atmósfera ligeramente reductora hasta que la actividad fotosintética
de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono (a partir de hace unos 2
500 o 2000 millones de años) y hace unos 1000 millones de años la
atmósfera llegó a tener una composición similar a la actual.
 También ahora los seres vivos siguen desempeñando un papel
fundamental en el funcionamiento de la atmósfera. Las plantas y
otros organismos fotosintéticos toman CO2 del aire y devuelven O2,
mientras que la respiración de los animales y la quema de bosques o
combustibles realiza el efecto contrario: retira O2 y devuelve CO2 a la
atmósfera.

5. Formación de la Atmósfera
 La envoltura gaseosa de la Tierra no sirve solamente como un
techo protector contra las radiaciones procedentes del Sol y de
otros cuerpos celestes, sino que es la base de la vida terrestre, ya
sea como fuente de oxigeno para el reino animal y de anhídrido
carbónico para el vegetal, ya como fuente de agua potable o como
fuerza de presión vital sobre el organismo animal.
 También es la atmósfera la que regula la temperatura terrestre,
igualando, aproximadamente, la del día con la de la noche.
 Ella es la que evita que existan grandes contrastes entre los dos
períodos, como sucede con los astros que carecen cobertura
atmosférica, los cuales gozan de altas temperaturas cuando
reciben la luz solar y llegan hasta 200° C. bajo cero con la llegada
de las tinieblas. La luna es un ejemplo de ello

6. Composition de la Atmosfera de la tierra
Importantes gaseses in the Atmosphere de la tierra
(Influencia no necesariamente proporcional al % en volumen)

7. Composición de la Atmósfera.
Los gases fundamentales que forman la atmósfera son:
Gases % (en vol)
Nitrógeno 78.084
Oxígeno 20.946
Argón 0.934
CO2 0.033
o Otros gases de interés
presentes en la atmósfera
son el vapor de agua, el
ozono y diferentes óxidos
de nitrógeno, azufre, etc.
o También hay partículas de
polvo en suspensión
como, por ejemplo,
partículas inorgánicas,
pequeños organismos o
restos de ellos, NaCl del
mar, etc. Muchas veces
estas partículas pueden
servir de núcleos de
condensación en la
formación de nieblas
(smog o neblumo) muy
contaminantes

9. Composición de la Atmósfera.
• De todos los gases que componen el aire que nos rodea, el oxígeno
es el más importante para la vida terrestre, como nadie ignora.
• Es vital para la respiración animal, ya que los tejidos no pueden
utilizar otros gases como comburentes.
• El nitrógeno, por ejemplo, es asimilado a través de los alimentos,
donde casi siempre está combinado con carbono, oxígeno e
hidrógeno.
• Como ya es sabido, el abastecimiento del oxígeno es mantenido por
las plantas, que producen oxígeno durante su proceso de síntesis de
alimentos. Parte de él lo emplean para sí mismas y el sobrante lo
liberan en la atmósfera, donde queda a disposición de la respiración
animal. Este ciclo se renueva continuamente, gracias a la luz solar.
• Visto el valor de ese gas atmosférico, demos más importancia a esa
ciencia llamada meteorología, cuya función es observar y analizar
los fenómenos que en ella se producen, y vigilar y cuidar del
mantenimiento vital de todo ese ciclo que, junto con otros fenómenos
meteorológicos basados en el agua (otro producto base de la vida),
son, en definitiva, la esencia del mundo que habitamos, de la única
morada que tenemos y que hemos de cuidar para no perderla

10. Composición de la Atmósfera.
- Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados
cerca de la superficie, comprimidos por la atracción de la
gravedad y, conforme aumenta la altura la densidad de la
atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5.5 kilómetros más
cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y
antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia
atmosférica.
- La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción
de sus distintos componentes casi invariable hasta los 80 km,
aunque cada vez más enrarecido (menos denso) conforme vamos
ascendiendo.
- A partir de los 80 km la composición se hace más variable

13. Capas de temperatura en la atmósfera:
Tropósfera
*Parte inferior de la atmósfera
*Fuentes de energía es el
calentamiento de la superficie
de la tierra por el sol.
*Temperatura generalmente
decrece con la altura.
*Circulación del aire (tiempo)
se lleva a cabo en aqui.
*La troposféra va desde la
superficie hasta 10Km
(30,000)ft.

14. Capas de temperatura en la atmósfera:
estratosfera
*La radiación ultravioleta es
absorvida por la capa de ozono,
calentando el aire.
*Este calentamiento provoca
aumento de temperatura con la
altura.
*En el limite de la troposfera y la
estratofera se da tropopausa.
*La estratosfera va desde los 10
a 50 km por encima superficie.

15. Capas de temperatura en la atmósfera:
Mesosfera
*Existe escaso ozono por
encima de 50 km, no
existe calefacción solar
*El aire continua
enfriándose con la altura
en la mesosfera
*La mesosfera se extiende
de 50 km a 90 km sobre la
superficie.

16. *Encima de 90 km, moléculas
atmosféricas residuales absorben
viento solar de partículas
nucleares, rayos x y gamma.
*Energía absorbida provoca
aumento de temperatura con la
altura.
*Las moléculas del aire se
mueven rápido, por la presión
muy baja.
Capas de temperatura en la atmósfera:
Termosfera

21. La Troposfera
Es la capa más próxima a la superficie terrestre, donde se generan la
mayoría de los fenómenos meteorológicos, se concentra el 75% de todo el
aire y el 99% del agua atmosférica. La columna de masa atmosférica varía
con la latitud en forma inversa, del polo con 8 Km a unos 11Km en latitudes
medias y 18 Km en la zona ecuatorial. En esta capa la temperatura
disminuye con la altura, de igual forma la cantidad de agua, y más arriba
aumenta. El límite superior de la troposfera es la tropopausa, que la
Organización Meteorológica Mundial define por la condición dT/dz>−2
ºC/km en altura (y además ΔT/Δz≥−2 ºC/km cuando a partir de esa cota se
considera un incremento de Δz=2 km). Como el gradiente térmico vertical
medio no varía mucho (luego se verá que este valor medio es del orden de
dT/dz>−6,5 ºC/km), esto da lugar a que por encima de los 8 km de la
tropopausa polar, haga más frío en el Ecuador que en los Polos, pues en
estos últimos ya se ha superado la troposfera y la temperatura no sigue
disminuyendo. Además, la tropopausa está algo más alta en verano que en
invierno y fluctúa mucho en latitudes de unos 30º y unos 60º en cada
hemisferio, por lo que se dice que la tropopausa es discontinua en esas
latitudes, justo donde aparecen las corrientes en chorro que se analizan
más adelante

22. 20 km
10 km
5 km
0 km
ESTRATOSFERATROPOSFERA
 La atmósfera está formada por mezcla de
gases.
 El 99% se encuentran en la troposfera y en
la estratosfera.
 Es una zona muy tranquila.
 En ella se encuentra el ozono.
 El ozono actúa como filtro de las
radiaciones solares
 Capa turbulenta.
 Hay nubes.
 Se mueve el viento.
 Tienen lugar fenómenos
meteorológicos.
 Sólo el aire de esta parte es
respirable.

23. Homosphere and Heterosphere
*Homosphere: Turbulent
mixing causes atmospheric
composition to be fairly
homogenous from surface to
~80-100 km (i.e., 78% N2,
21% O2)
*Heterosphere: Above ~80-
100km, much lower density,
molecular collisions much
less, heavier molecules
(e.g., N2, O2) settle lower,
lighter molecules (e.g., H2,
He) float to top

24. La termodinámica y la atmósfera
La termodinámica es la ciencia de la temperatura y el calor (que no es lo
mismo: temperatura es el nivel de la energía interna térmica, y calor es
el flujo de energía interna térmica a través de una superficie
impermeable a la materia). El observador elige una porción de materia
para el estudio (su sistema termodinámico), y analiza los efectos de la
interacción del sistema con el entorno, que se pueden resumir en que la
energía ni se crea ni se destruye (sólo se transforma), y que la energía
siempre tiende a dispersarse.
Aunque a veces se dice que la termodinámica clásica sólo estudia
sistemas en equilibrio ( agua caliente o agua fría, pero no parte caliente
y parte fría), lo que se quiere decir es que a la termodinámica le
conviene estudiar sistemas en equilibrio porque son los más sencillos,
pero eso no es óbice para que se pueda aplicar a sistemas dinámicos
como la atmósfera (que es un océano de aire en permanente estado de
convección natural), e incluso a los sistemas vivos (lo más alejado del
equilibrio termodinámico).

25. GASES IDEALES: ECUACIÓN DE ESTADO
nRTpV 
TRp *
T
M
R
V
m
V
RT
M
m
RT
V
n
p 
11
314.8
--
 KkmolkJR
 11
* --
 KkgKJ
M
R
R
V
m

m
V
v 
Para el aire seco, el peso molecular
aparente es 28,97, luego:
 11
287.0
97.28
3143.8
* --
 KkgkJRd

26. MEZCLA DE GASES IDEALES. MODELO DE DALTON
• Gas ideal formado por partículas que ejercen
fuerzas mutuas despreciables y cuyo volumen es
muy pequeño en comparación con el volumen
total ocupado por el gas.
• Cada componente de la mezcla se comporta como
un gas ideal que ocupase él sólo todo el volumen
de la mezcla a la temperatura de la mezcla.
• Consecuencia: cada componente individual ejerce
una presión parcial, siendo la suma de todas las
presiones parciales igual a la presión total de la
mezcla
V
RTn
p i
i 
V
nRT
p 
......21 

i
i
i
ii
nnn
n
y
n
n
p
p
Fracción molar
La presión parcial de cada componente es proporcional a
su fracción molar

27. • La atmósfera se asemeja a una mezcla de gases ideales de dos
componentes: uno, aire seco, y otro vapor de agua.
• Cada componente de la mezcla se comporta como un gas ideal
que ocupase él sólo todo el volumen de la mezcla a la
temperatura de la mezcla.
• Consecuencia: cada componente individual ejerce una presión
parcial, siendo la suma de todas las presiones parciales igual a
la presión total de la mezcla. La presión total será la suma de las
presiones parciales
TR
V
RTn
p dd
d
d  Aire seco; Rd = R/Md = 8.3143/28.97 = 287 J K-1 kg-1
TR
V
RTn
e vv
v
 Vapor de agua; Rv = R/Mw = 8.3143/18.016 = 461 J K-1 kg-1
p = pd + e

28. Tr
p
Tr
pp
v
v
s
v

-
  





--











--  1111
p
p
Tr
p
r
r
p
p
Tr
p v
sv
sv
s
    -

-

--

1111
ew
w
T
p
p
T
T
v
virtual
 --

11
p
p
T
T
v
virtual
La ecuación de los gases se puede escribir entonces como:
Densidad del
aire húmedo
Presión del
aire húmedo
Constante
del aire seco
virtuals Trp 
Constante
del aire seco
Presión del
aire húmedo
La temperatura virtual es la temperatura que el aire seco debe tener
para tener la misma densidad que el aire húmedo a la misma presión.
El aire húmedo es menos denso que el aire seco  la temperatura
virtual es mayor que la temperatura absoluta.
622.0
s
v
v
s
M
M
r
r


29. TEMPERATURA VIRTUAL
La temperatura virtual es la temperatura que el aire seco debe tener
para tener la misma densidad que el aire húmedo a la misma presión.
Aire húmedo =
= aire seco +
+ vapor de agua
Densidad del
aire húmedo:
vs
vs
V
mm
 


s: densidad que la misma masa ms de aire seco
tendría si ella sola ocupase el volumen V
v: densidad que la misma masa mv de vapor de
agua tendría si ella sola ocupase el volumen V
Gas ideal
Ley de Dalton
TRp sds 
Trp vvv 
vs ppp 
Tr
p
Tr
pp
v
v
s
v

-

Densidades “parciales”
V ms mv

30. APLICACIÓN A LA ATMÓSFERA
Temperatura Virtual. Ecuación de estado del aire húmedo
A la hora de escribir una ecuación de estado para el aire húmedo, es usual
considerar una temperatura ficticia denominada temperatura virtual, para evitar
el manejo de que el contenido en vapor de agua es variable
 





--
-
  11
p
e
TR
p
TR
e
TR
ep
dvd
ε = Rd/Rv = Mw/Md = 0.622TRp ddd  TRe vv
p = pd + e
ρ = ρd + ρv
 
T
p
e
T
Tv 01.1
11







--

 vd TRp 
Aproximación válida en condiciones
ambientales, e [1 – 5 kPa]: p [80-100 kPa
La temperatura virtual es la temperatura que el aire seco debe tener
para tener la misma densidad que el aire húmedo a la misma presión.

31. APLICACIÓN A LA ATMÓSFERA
Densidad del aire húmedo
Al escribir la ecuación de estado para el aire húmedo, podemos estimar su
densidad
vd TRp 
 
T
p
e
T
Tv 01.1
11







--


dv RT
p

A 20 ºC, y una presión de 1 atm
(101.325 Pa), la densidad del aire
ρ = 1.19 kg m-3
p, presión [Pa]
ρ densidad [kg/m-3]
T temperatura absoluta [K],
Tv temperatura virtual [K],
Rd, constante del gas aire seco, 287 J kg-1 K-1
El aire húmedo es menos denso
que el aire seco a la misma
temperatura  la Temperatura
virtual es mayor que la
temperatura absuluta

33. Suponemos que cada película de aire está muy cerca
del equilibrio
El peso equilibra las fuerzas de presión
dzSgdpS -  g
dz
dp
-
En función de volumen específico:
v
1
 dpvdzg -
dz
-Sdp
gSdzz
p
p+dp
S
ECUACIÓN HIDROSTÁTICA

34. ECUACIÓN HIDROSTÁTICA
Masa de aire contenida en dz: dzS 
Peso de aire contenido en dz: dzSg 
Fuerzas de presión:
Ascendente: pS
Descendente: )( dppS 
Fuerza de presión neta: dpSdppSpS -- )(
La fuerza de presión neta está dirigida hacia arriba,
ya que dp es una cantidad negativa
dz
-Sdp
gSdzz
p
p+dp
S

35. GRADIENTE ADIABÁTICO DEL AIRE SATURADO
Una vez alcanzada la saturación se libera en el seno del paquete de aire el
calor latente de cambio de estado, y a partir de ese momento la disminución
de la temperatura con la altura se hace menor.
Gradiente adiabático del aire saturado: tasa de disminución de la
temperatura con la altitud para un paquete de aire saturado en condiciones
adiabáticas. Se define como:
tasaire
sat
dz
dT






-
Valores típicos: 4 Kkm-1 para las proximidades del suelo
6-7 Kkm-1 para la troposfera media

37. Ecuaciones fundamentales
Un modelo de predicción meteorológica está representado
matemáticamente por un conjunto de ecuaciones básicas,
correspondientes a las ecuaciones de conservación para un fluido, en
este caso la atmósfera. Un fluido considerado como medio continuo
puede ser descrito a través de las ecuaciones de conservación de la
masa, del momento y de la energía.
La conservación de la masa se expresa mediante la ecuación de
continuidad de la siguiente forma
( )
0i
i
u
t x
 
 
 
Donde ρ es la densidad y iu es la velocidad en la dirección i , en un sistema
referencial cartesiano xi , con 1, 2,3i 

38. La conservación del momento viene dada por la siguiente ecuación:
   i j jii
i
j j
u uu
f
t x x
 

 
  
  
jii i
j i
j j
u u
u f
t x x

  
 
  
  
Con if la fuerza másica en la dirección i , y ji las fuerzas superficiales de
presión y viscosas actuando en dirección i sobre una superficie elemental
perpendicular a j . Considerando la atmósfera un fluido newtoniano, el tensor
de esfuerzos es linealmente proporcional al tensor de deformaciones, lo que
simplificará los cálculos. Teniendo en cuenta la ecuación anterior de la
conservación del momento, la ecuación del momento queda expresada de la
forma:

39. Por ultimo la conservación de energía se escribe como
 1 1
2 2
i
i i i i j ji i i i
j i
q
e u u e u u u u u f
t xj x x
     
       
     -           
Considerando la energía interna y iq la componente del flujo de calor en la dirección i
. Si se tiene en cuenta la ecuación anterior y el producto con iu se obtiene una
ecuación más sencilla para la energía, que tiene la forma
i i
i ji
i j i
u qe e
u
t x x x
  
  
  -
   

41. Caso aplicativo de la estructura vertical para la atmosfera – troposfera
baja en las ciudades de:
 Chimbote y
 Lima

46. Nivel en
milibares
(hpa)
Altura
estimada
en metros
1000 100
975 250
925 700
900 1000
850 1500
800 2000
750 2500
700 3000

47. Nivel en
milibares
(hpa)
Altura
estimada
en metros
1000 100
975 250
925 700
900 1000
850 1500
800 2000
750 2500
700 3000
Estructura
vertical en la
atmósfera
Baja en la
ciudad de
Chimbote
Condiciones
Térmicas y
Vientos.

48. Estructura
vertical en la
atmósfera baja
en la
ciudad de
Lima
Temperatura,
humedad
relativa y vientos
Nivel en
milibares
(hpa)
Altura
estimada
en metros
1000 100
975 250
925 700
900 1000
850 1500
800 2000
750 2500
700 3000

49. Es la capa de transición entre la
atmósfera y el espacio
Sus partículas eléctricas reflejan las
ondas de radio la temperatura vuelve
a aumentar
La temperatura desciende y presenta
una baja densidad del aire
La temperatura aumenta y abunda
el gas ozono
En ella se desarrollan los fenómenos meteorológicos como
Nubes, tormentas, lluvias y vientos, concentra toda el agua y la
temperatura desciende con la altura
Gracias