Primer Cuatrimestre 2010

Oceanografía General/Física Práctica 8

Balance de calor – Balance Hídrico

1. La Figura 1 muestra el coeficiente de atenuación kλ en función de la longitud de

onda λ, en aguas claras y turbias del océano. a) ¿Cuáles son los rangos de los valores de kλ que se observan en aguas costeras turbias y en aguas claras del océano abierto? b) ¿En qué rangos de λ penetrará más la luz en cada caso? Justifique. ¿A qué colores del espectro visible corresponden esas longitudes de onda? c) En aguas claras, ¿a qué profundidad la irradiancia correspondiente a las longitudes de onda de 0.3, 0.5 y 0.7 μm se reduce al 50% de su valor en superficie? ¿Y al 1%?

2. Suponga que el fitoplancton requiere 500 μW/cm2 para crecer, y que el coeficiente

de atenuación es de 0.15 m-1 para aguas costeras no muy turbias y 0.03 m-1 para aguas oceánicas claras. ¿A qué profundidad cesaría el crecimiento del fitoplancton en ambos casos si la irradiancia superficial fuera de 103

μW/cm2? 3. La Figura 2.a muestra la distribución del promedio anual del flujo neto de energía

sobre la superficie del océano, Qnet.

a) Indique zonas de máxima ganancia neta de calor y zonas de máxima pérdida neta de calor.

b) La Figura 2.b muestra la distribución de temperatura media del océano en superficie. Compare las Figuras 2.a y 2.b. ¿A qué pueden deberse las diferencias que observa? Justifique.

4. Las componentes involucradas en el balance neto de calor son:

• Radiación solar incidente (Qs) • Balance de radiación de onda larga (Qr o Qb) • Flujo de calor sensible (Qc o Qh) • Flujo de calor latente (Qe)

Evalúe la contribución de estas componentes en el balance neto (Qnet) a partir de la Figura 2.a, y averiguando qué porcentaje representa cada una de ellas, en promedio, respecto del balance neto. ¿Cuáles son las componentes más importantes?

5. a) Utilizando la figura del balance hídrico (Figura 3), determine un valor aproximado

del calor liberado por el océano debido a la evaporación diaria (le = 2.25 x 106 J/Kg.). b) Sabiendo que la superficie terrestre recibe alrededor de 9x1021 J del Sol por día (el

70% de la insolación), ¿es correcto decir que la evaporación de los océanos es una componente significativa en el balance de calor de la Tierra? ¿Por qué?

c) ¿Bajo qué condiciones esperaría que el agua del océano pueda ganar calor por condensación? Justifique.

d) ¿Cuál es la tasa anual de evaporación de los océanos? ¿Se encuentra en balance con la precipitación más el escurrimiento del suelo? ¿Por qué?

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6. A partir de la Figura 4, que muestra el campo de temperaturas promedio en el Pacífico Tropical Sur-oriental para los meses de febrero y agosto, y teniendo en cuenta las consideraciones generales detalladas más adelante, conteste el cuestionario que sigue a continuación.

Nota: considere un volumen de control de 50 m de profundidad y área unitaria en la región indicada por el cuadrado frente a la costa de Perú. Las flechas indican la probable dirección de la corriente en esa región.

Se considera positivo (negativo) todo el calor que entra (sale) en el volumen de control.

a) ¿De cuánto es el cambio de temperatura aproximado que se observa en la región

marcada con un cuadrado entre los meses de febrero-agosto? b) Asumiendo que el cambio en la temperatura está distribuido uniformemente en los

primeros 50 m de profundidad, calcule el almacenamiento de calor QT en ly/día de agosto a febrero y de febrero a agosto.

c) Estime el gradiente de temperatura en la región en la dirección de la corriente, para cada mes (agosto y febrero, en °C/1000 km) asumiendo que la diagonal del cuadrado de la figura es de aproximadamente 1000 km. Calcule el promedio entre agosto y febrero.

d) Asuma que el promedio de la corriente en la región es de 20 cm/seg. Calcule el promedio de calor advectado, Qa (en ly/día). Mirando el sentido en que se advecta la temperatura, ¿qué signo tiene Qa?

e) En base a lo calculado hasta ahora y asumiendo que: Qs = 430 ly/día; Qr = 130 ly/día; R = 0,3; son valores promedio para agosto - febrero; y teniendo en cuenta la ecuación de balance de calor, ¿cuál es el promedio de evaporación para la región? Expresarlo en cm/día.

f) ¿Cómo interpretaría físicamente el hecho de que Qe resultara negativo? Justifique. 7. Examine el mapa de salinidad de la Figura 5.a y las curvas del balance evaporación-

precipitación y de salinidad de la Figura 5.b y explique, justificando, la posición de los máximos y los mínimos en las figuras. Analice el mínimo de salinidad que se observa en latitudes ecuatoriales. ¿Por qué ocurre este mínimo? Justifique su respuesta.

Nota: 1 langley = 1 ly = 1 cal · cm-2

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Consideraciones generales Para realizar este ejercicio utilice la siguiente ecuación de balance de calor:

QT = Qs + Qr + Qe + Qc + Qa

Donde:

* QT: es la variación de calor contenido en un volumen unitario en la unidad de tiempo.

tzTC

tHQ p

T Δ

ΔΔ=

ΔΔ

=*ρ

ρ = 1 gr/cm3 Cp = 1 cal/gr °C ΔH = calor ganado / perdido Δz = altura del volumen de control de área unitaria Δt = lapso de tiempo considerado ΔT = cambio en la temperatura 1 ly = 1 cal/cm2

* Qs: es el cambio de calor debido a la radiación solar directa y difusa. Es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo que irradia (el sol). Ley de Stefan Boltzman: Qs = k * T4 (en K) * Qr: es el cambio de calor que sufre el océano luego de irradiar energía al espacio o a la atmósfera. Es proporcional a la temperatura absoluta del aire en superficie (ley de Stefan-Boltzman). * Qe: es el cambio de calor debido a la transferencia de calor latente a la atmósfera por evaporación.

Qe = L * E L = 600 cal/gr (calor latente de evaporación) E = agua evaporada, en gramos (numéricamente igual al número de cm verticales evaporados por cm2 de superficie). * Qc: es el calor sensible intercambiado entre el océano y la atmósfera por conducción

Qc = R * Qe R es el coeficiente de Bowen * Qa: cambio de calor debido a advecciones horizontales de agua de distinta temperatura a la del volumen de control.

NTzVCQ pa Δ

ΔΔ= ρ

V = velocidad perpendicular a las isotermas ΔT = diferencia de temperatura entre las isotermas ΔN = distancia en la que se registra esa diferencia de temperatura. (ΔT)/ Δn = gradiente de temperatura.

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Figura 1. Coeficiente de atenuación kλ (m-1) en función de la longitud de onda λ, en aguas claras del océano abierto (línea sólida) y en aguas costeras turbias (línea cortada).

Figura 2.a. Flujo neto de calor en la superficie del mar. Promedio anual en W/m2.

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Figura 2.b. Distribución de temperatura superficial del mar (º C).

Figura 3. Balance hídrico global: muestra el ciclo del agua en la Tierra y los volúmenes de agua transportada en Km3 por año.

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Figura 4. Representación esquemática del campo de temperaturas medias en el Océano Pacífico Tropical Sur-oriental para los meses de febrero y agosto.

Figura 5.a. Distribución promedio de salinidad en el océano global. Los contornos marcan las

isohalinas cada una unidad de salinidad.

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Figura 5.b. Valores promedio de salinidad (línea azul) y diferencia entre el promedio anual de evaporación y precipitación (E-P, línea roja) en función de la latitud.