Variables climáticas a nivel mundial.

Diferencia entre meteorología y climatología

He visto que hay mucha gente que tiene dudas relacionadas con  "qué es meteorología" y "qué es climatología". Y en este tópic me gustaría despejar algunas dudas.

Primero resumiré algunos conceptos.

1- Meteorología:

Estudio del comportamiento "momentáneo" del tiempo.
Análisis, pronóstico y observación de la Media y Variabilidad de ciertos parámetros de la temperie, en la escala:

Microescala (10km): Horas
Mesoescala1 (100km): 1 días
Mesoescala2 (300km): 3 días
Sinóptico1 (500km): 5 días
Sinóptico2 (1000-5000km): 10-15 días.
Sinóptico3 (10000km): 1-2 meses

Dependencias de todas las escalas

- Condiciones iniciales
- Condiciones de contorno (la escala superior)
- Climatología (de la propia escala)
- Ecuaciones físicas de balance energético (diario o estacional).
- Ecuaciones físicas de balance de movimientos: Navier-Stokes.
- Parametrización de otros parámetros: nubosidad, etc.


2- Climatología:

Estudio del comportamiento "promedio" del tiempo.
Análisis, pronóstico y observación de la Medida y Variabilidad de ciertos parámetros promedios de la temperie, en la escala:

Variabilidad climática intrínseca: 2-10 años
Climatología térmica: 20-50 años
Climatología pluviométrica: 50-100 años
Otras climatologías: desde 50 años a millones de años.


Dependencias en cada escala

- Climatología local:

Depende principalmente de: clima regional, circulaciones regionales, características geográficas locales.

- Climatología regional (lo intermedio a local y global):

Depende principalmente de: clima global, circulaciones globales, características geográficas regionales.

- Climatología global:

Depende principalmente de: imput de energía, output de energía, y almacenamiento de energía.

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Climatología global

Me voy a centrar en la climatología global por varias razones.
Es la más sencilla, la menos conocida por la gente y la que repercute más sobre todas las demás climatologías de escalas inferiores, que son más complejas de modelizar y de entender y que sin embargo son las más populares por la gente.

Las únicas variables que determinan el clima global son:

- Imput: Energía entrante (solar), modulado por los parámetros orbitorotacionales terrestres, y por la actividad nuclear y magnética del sol.

- Output: Energía saliente, modulado por el albedo, la transmisividad y la emisión de cuerpo gris de la Tierra.

- Almacenamiento: Energía almacenada. Normalmente es constante, pero pude cambiar según el Imput y Output. Modulado por el efecto invernadero y captura fotosintética de la enegía solar.

Ya no hay más variables.
Con eso podemos escribir una "ECUACIÓN LINEAL", que determina idealmente-perfectamente la temperatura terrestre.

Sin embargo, dependiendo de la escala temporal, la aparente linealidad (determinista)  manifiesta comportamientos caóticos debido a la dificultad de extrapolar las ecuaciones a muy largo plazo, con condiciones iniciales no perfectamente conocidas. Nótese que a muy largo plazo, climatológicamente hablando se refiere a varios centenares o miles de años. Pues el clima global a escala de 50-100 años es lineal.

Caracterización de la variables globales

- Imput: Energía entrante (solar)

Nota: Alguien podría pensar que la energía geotérmica es otro imput. Pues bien, dada la escasa aportación a nivel global en coparación al sol, esa sólo contaría en las ecuaciones de balance energético de la meteorología-climatología local allá donde haya una importante actividad volcánica (submarina o terrestre).

Modulación de la energía entrante

(P) Parámetros orbitorrotacionales terrestres:

- Excentricidad y oscilación del plano orbital terrestre: Relatividad General de Eisntein e Influencia de llos demás planetas.
   - Un ciclo de 413.000 años (excentricidad).
   - Ciclos de entre 95.000 y 136.000 años (incluyendo los 100.000 años).
   - Un ciclo de entre 70.000 y 100.000 años (plano de la elíptica)


- Inclinación del eje rotatorio:
   - Precesión de la elíptica: inclinación del eje (23'5º): 2'4º, ciclo de 41.000 años
   - Precesión de los equinocios: Ciclo de 25.767 años
   - Nutación: 9''arco, cilo de 18,6 años
   - Bamboleo de Chandler: 3-15 m polares, ciclo de 25.000 años
- Movimiento solar dentro de la galaxia: Posible ocultación solar parcial por polvo galáctico.



(S) Actividad solar.

- Reacciones nucleares: Luminosidad. +10% / 1.000 millones de años
- Ciclos magnéticos: Vientos solares.
  - Cambio de polaridad magnética: manchas solares. Ciclo de 11 años.
  - Ciclo de Gleissberg. Un ciclo de 80 años.
  - Otros ciclos: No se conocen bien.

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- Output: Energía saliente (radiación reflejada y emitida)

Nota: Alguien podría pensar que la energía entrante se emplea en más fenómenos a parte de la reflexión y la emisión de cuerpo gris. Ciertamente, parte de la energía entrante se utiliza para alimentar el sistema biológico y el sistema motor oceánico-atmosférico, pero se supone que la energía circulante en la Tierra se transforma pero no cambia, por lo que no puede acumularse o perderse de forma indefinida, y por tanto, la que entra nueva ha de ser igual a la que sale.

Modulación de la energía saliente

(A) Albedo terrestre: Es la capacidad de reflejar la luz incidente. 0'31
  - Crisfera. hielos y nieves: 0'7-0'86
  - Nubes: altas y bajas: 0'4-0'7
  - Aerosoles: polvo, volcánicos, antropogénicos: 0'06-0'10
  - Mar: 0'05-0'10
  - Continentes: 0'08-0'021 (bosque-desierto)
  * Normalmente la reflexión depende del ángulo y de la longitud de onda de la luz incidente: reflectividad.
  * El albedo sería la integración (suma) de la reflectividad.

(T). Transmisión: No hay. La tierra se supone opaca para la mayoría de luz solar.

(E). Emisión de cuerpo gris: Todo cuerpo caliente emite luz. Es la forma universal de disipar calor en el vacío.
 

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- Almacenamiento: Energía almacenada (dinámica y estructura molecular)

* Sólo hay dos almacenes directos de la energía solar: la potencia fotosintética y la capturación del calor por los geofluidos (mar y atmósfera). La potencia fotosintética la consideraremos aproximadamente constante, además de minúscula en comparación a la energía incidente. Por tanto, la energía almacenada total la aproximaremos a la variación del efecto invernadero.
* El resto de "almacenes" (vida y sistemas motores de los geofluidos, etc.) no toman directamente la energía del sol, sino de la temperatura de los geofluidos, por lo que está incluida en el balance del Output.

Modulación del almacenamiento

(I). Efecto invernadero: Es la capacidad de almacenar energía, debido a una retención de la nergía incidente. El proceso de retención cesa cuando la emisión+reflexión coincide con la energía incidente, pero la energía almacenada se mantiene.

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Forzamientos radiativos

El balance de energía se expresa mediante los forzamientos radiativos globales:

http://data.giss.nasa.gov/modelforce/
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/

Ecuación fundamental de la climatología global

Balance radiativo:
La energía entrante es igual a la energía saliente más la almacenada.

Imput = Output + ∆I


Caracterización de la ecuación

Vayamos por partes. Vamos a identificar cada miembro de la ecuación.

Imput = K

Donde la irradiancia (el flujo de potencia) incide sobre una área πR²

Donde R es el radio de la Tierra
Donde K es la variable solar = 1366 W/m² + ∆K
Donde ∆K simboliza la posible variación de la insolación debido a la modulación por (P) y (S)

Output = A + E

Donde la radiancia reflejada y la emitancia, proceden de una área 4πR²

Donde A es la radiancia reflejada por el Albedo Terrestre, que a su vez se calcula integrando las reflectividades.
Donde E es la emitancia, que a su vez responde a un cuerpo gris.

Por tanto:

K/4 = A + E + ∆I

Por otro lado:

T = temperatura de cuerpo gris de la Tierra.
K = 1366 W/m² + ∆K
A = (0'31+∆a)·K
E = εσT⁴
I = I_o + ∆I
σ = 5'6704·10^-8 Wm^-2K^-4
ε = 0'96
A partir de esta ecuación se puede obtener una temperatura de cuerpo gris, media para la Tierra. Sin embargo esa temperatura es diferente según la capa de la Tierra (techo, troposfera, suelo, ..).

Por tanto, necesitamos un balance más detallado:
Fijaos en el output (solar), input (reflexión y emisión) y almacenamiento (atmósfera y suelo)

Balance detallado

Vamos a obviar la sunidades por simplicitud:

Exterior de la Tierra

Input -> Inciden: 342 = G

Output -> Salen: 342 = G
Reflejados: 107
Emitidos: 235


Superficie de la Tierra

τ_av = transmisividad atmósfera en el visible
τ_ai = transmisividad atmósfera en el IR-T
τ_nv = transmisividad de las nubes, visible
τ_ni = transmisividad de las nubes, IR-T
r_a = reflectividad atmósfera
r_n = reflectividad nubes
r = reflectividad suelo

Ls = Luz solar incidente = G·(1-r_a)·τ_av
Rs = Luz reflejada por el suelo = r·Ls
Fs = Luz IR-T de la atmósfera = Ea·(1-r)
As = Energía absorbida por el suelo = Ls - Rs + Fs = (1-r)·Ls + Ea·(1-r)
Es = Luz emituda por el suelo
Hs = Calor no radiativo del suelo (latente y sensible)

As = Es + Hs

Es = (1-r)·G·(1-r_a)·τ_av + Ea·(1-r) - Hs

Para calcular la temperatura de la superficie terrestre debemos calcular Es y aplicar Stefan-Boltzmann. para cuerpo gris.

Balance energético en la atmósfera

La = Luz solar incidente = G
Ua = Luz solar transmitida = τ_av·G
Ra = Luz reflejada por la atmósfera = r_a·G
Fa = Luz IR-T del suelo = Es·(1-τ_ai)
Aa = Energía absorbida = La - Ra - Ua + Fa = (1-r_a-τ_av)·G + Es·(1-τ_ai)
Ea = Luz emituda por la atm.
Ha = Calor no radiativo (latente y sensible).

Aa = Ea + Ha

Ea = (1-r_a-τ_av)·G + Es·(1-τ_ai) - Ha

Los términos del efecto invernadero son estos:
Fa = Luz IR-T del suelo = Es·(1-τ_ai)
Fs = Luz IR-T de la atmósfera = Ea·(1-r)
Eso es la capturación de energía IR-T procedente del suelo, que iba a ser emitida al espacio.
Ese término está continuamente siendo emitido de la atmósfera hacia el suelo, y por tanto es un almacén de energía.
Fijaos que por culpa de ese término, Ea depende de Es y viceversa. se crea un cículo vicioso que es convergente pero a costa de subir mucho la temperatura de emisión.

Gracias a esos términos, la Tierra no es una bola de hielo, y por tanto la vida es tal y como la conocemos ahora.

Anotaciones interesantes:

- Si modificamos la transmisividad de la atmósfera respecto la luz IRT, τ_ai, estamos modificando la capacidad de efectto invernadero.
Cambiando la composición atmosférica podemos cambiar τ_ai

- Si modificamos las reflecitividades, r y r_a, cambiaremos la luz reflejada, y por tanto la absorbida.

- Si modificamos τ_av, por ejemplo añadiendo aerosoles, entonces cambiamos la luz solar que llega a la superficie terrestre, lo que es lo mismo, estamos modificando el albedo planetario (reflexión) y la absorción de energía por parte de la atmósfera.

Y esto es todo, de momento, en cuanto a teoría del clima global.
Quien quiera saber más sobre el efeto invernadero puede visitar este enlace:
https://foro.tiempo.com/index.php/topic,46476.0.html
Quien quiera saber más sobre el efecto del sol, puede visitar este enlace:
https://foro.tiempo.com/index.php/topic,78639.0.html

Espero que os haya gustado.Gracias por leerme.

Atentamente
Vigilant

Vaya, has conquistado el subforo en unos días  , muchas gracias por todo el curro.

Ya no hay más variables.
Con eso podemos escribir una ECUACIÓN LINEAL, que determina idealmente-perfectamente la temperatura terrestre.

Eso no lo veo claro. Como sabes, el primer principio de la termodinámica dice que la diferencia de energía interna del sistema es igual a el trabajo realizado mas el calor. De hecho, sabemos que es la energía del sol la que mueve las borrascas y los anticiclones. En el caso de un aumento de la energía neta recibida del sol, está claro que buena parte contribuirá a aumentar la temperatura media global, pero no toda¿como se calcula eso?

Vaya, has conquistado el subforo en unos días  , muchas gracias por todo el curro.

Citar

Ya no hay más variables.
Con eso podemos escribir una ECUACIÓN LINEAL, que determina idealmente-perfectamente la temperatura terrestre.

Eso no lo veo claro. Como sabes, el primer principio de la termodinámica dice que la diferencia de energía interna del sistema es igual a el trabajo realizado mas el calor. De hecho, sabemos que es la energía del sol la que mueve las borrascas y los anticiclones. En el caso de un aumento de la energía neta recibida del sol, está claro que buena parte contribuirá a aumentar la temperatura media global, pero no toda¿como se calcula eso?

Buena apreciación, pero el trabajo termina disipándose también en forma de calor, tarde o temprano, por lo que, en equilibrio termodinçamico, todo lo que se recibe termina emitiéndose, y esa es una ley termodinámica.

Es decir, en equilibrio (y todos los sistemas tienden al equilibrio) toda la energía que le llega a la Tierra ha de emitirse en forma de radiación de cuerpo gris, porque sino la Tierra ganaría o perdería energía indefinidamente hasta alcanzar los 0 K o diverger infinitamente, y eso es irreal e imposible.

Se llama la ley de Kirchhoff

Si un cuerpo está en equilibrio termodinámico con su entorno, puede decirse que su absorbancia coincide con su emitancia.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Kirchhoff
http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro

Es decir, emite todo lo que recibe.

PD: De todos modos esperad un poco a que termine de explicarlo. Saludos 

Muchas gracias Vigilant, por este Topic, aunque no he terminado de leer todo lo que has escrito, de aqui voy a aprender mucho seguro.

Un saludo 

De nada.

Gráficas del clima global y relacionadas con las explicaciones:

Clima reciente:

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:2000_Year_Temperature_Comparison.png
http://img138.imageshack.us/img138/1199/science1xc.jpg

Variable solar
http://homepage.mac.com/uriarte/rad1000-2000.jpg

Teoría de Milankovitch: parámetros orbitorrotacionales


Esto representa el Input principal, junto con la variabilidad lumínica y magnética del sol.

Según las teorías actuales, para pasar de un período de glaciación a un interglaciar y demás, sería insuficiente un Forzamiento Radiativo de Milankovitch, sino que se necesitaría estar en consonancia (o resonancia) con una variación del albedo terrestre o tal vez del almacenamiento de energía.

En este sentido, se necesitaría la suma de un pre-extremal de Milankovitch con, por ejemplo, un círculo vicioso del hielo (a aumentar o disminuir "sin parar")

Otro apunte es que, en la ecuación del clima global he resaltado el término de Variación del Almacenamiento energético ya que es, según la teoría oficial, el que está causando el actual cambio climático, de hecho, desde satélite se está midiendo que el Output es inferior al Input, es decir, la Tierra está almacenando calor (Ver J.M Viñas: "¿Estamos cambiando el clima?"), un calor que necesariamene ha de traducirse en una futura subida de la temperatura, para alcanzar el obligatorio equilibrio radiativo (como tendencia).

Saludos 

Saludos 

Bufff, q repaso de teledeteccion y clima, jejeje.
El finde me lo leo con mas calma. Solo te falta poner las citas. 

Juassss, Roberto-Vigilant vuelve a las andadas!!!

Supongo que ya has terminado la carrera porque sino te cae bronca.

PD: Nos estás poniendo a estudiar a todos!!

Vamos a ver, hace poco estuve en una conferencia de un experto en simulaciones climáticas. Ellos modelizan definiendo el clima para cada año como el promedio de los datos meteorológicos de un número de años n anteriores a este año, y un número n posteriores a este año. De esta forma se establece el clima medio alrededor de tal año.

Saludos

Efectivamente, y esa idea siempre la he defendido, pero en general creo no se utiliza eso (corregidme), sino que se definen grupos conexos de N años, que no se solapan entre sí, de tal modo que el clima en los N años de referencia (de cada grupo) es el mismo, por definición. Sin embargo, la idea de promediar para todos los años es mejor, ya que amortigua los ciclos de inferior frecuencia y resalta las tendencias netas, las de fondo.

Saludos 

Con permiso de quimet, copio aquí el hilo que teníamos en otros lares, ya que creo que es de interés para todos nosotros dentro de este tópic, y enlaza con lo que comenta Orald.

Cita de: vigilant

Responode aquí para no rescatar este tópic, ya que hya muchos de lo mismo ¿ok?  

Cita de: quimet en Sábado 27 Octubre 2007 01:19:12 am

Yo creo que si esa gráfica en vez de presentarse con una tendencia lineal se presentara con multiples tendencias, los últimos años tendrían una inversión de esa tendencia, o sea, una desaceleración de ese deshielo.

No se pueden sacar tendencias de pocos años, porque son oscilaciones que en promedio en teoría se anulan, has de esperar a que se completen varias oscilaciones para ver si la "linea de fondo" (que sirve de soporte a la oscilación) ha variado o no.

En climatología, por definición, se entiende que las oscilaciones son todas aquellas variaciones que se restringen en perídos de menos de 30 años: 15, 10, 5, 2, 1 años. O en todo caso inferiores a 50-100 años (dependiendo si nos referimos a cuestiones térmicas o pluviométricas).

Por tanto, aunque el clima en sí (el de 50 años) también puede oscilar de 50 en 50, eso por definición ya son cambios climáticos. Y por tanto eso es detectable, según la coeficiente R se la tendencia.

- Si R es inferior a 0'5 no hay tendencia y probablemente sea un cambio climático oscilante.
- Si R es entre 0'5 y 0'7, hay una tendencia débil
- Si R es entre 0'7 y 1, la tendencia es fuerte o muy fuerte.


Si te coges pocos años (unos 10 o 20) verás que R es menor de 0'5, o en todo caso menor de 0'7, y por tanto no puedes sacar conclusiones de que "el hielo se está recuperando", porque de hecho, claramente es todo lo contrario. Si tu buscas una serie de datos los suficientemente larga para que R sea mayor que 0'7 verás que el hielo ártico tiene una clara tendencia a la baja, y por tanto eso es un dato científico, puramente objetivo, por la herramiento maremática de la R (que va de 0 a 1).

Saludos cordiales.
Roberto.

Hola Roberto.

Tienes razón en tu explicación y reconozco que he tenido que repasar algunos libros. La estadística no la tengo tan fresca como tú....

En primer lugar, comentarte que cualquier serie cronológica de datos climáticos considero que es una serie inacabada, tanto por el principio como por el final, y que por tanto podemos alargar en el tiempo todo lo que sea posible. Aparte, no es una serie organizada (cuanto más larga, más aleatoria) y por tanto sin una tendencia definida.

Cuando yo me refiero a "multiples tendencias", quizás hubiera sido más correcto hablar de aplicar filtros como puede ser el método de las medias móviles para suavizar los datos y poder observar alguna tendencia enmascarada.

Te paso un breve estudio que hice en mi blog sobre la serie de temperaturas del Observatorio Fabra de Barcelona donde aplico ese método para una serie cronológica suficientemente larga (93 años) para poder observar varias tendencias.

http://vallesmeteo.blogspot.com/2007/02/evoluci-de-les-temperatures-al-fabra.html

PD: L'article és en catalá.... però per un valenciá no será gran problema.

Totalmente de acuerdo.

Esa es la misma idea que estaba comentando Orald: medias móviles.

La idea es suavizar las curvas a N años (por ejemplo a 30 o 50 años) para anular las oscilaciones pre-climáticas (variabildad intrínseca al clima) y quedarnos solo con la variación del clima propiamente dicho.

Otra opción, y es la que comentaba antes, es dejar que el coeficiente R nos diga si hay tendencia o no.

De este modo, si hay oscilaciones, por ejemplo un seno perfecto, la R de una recta ajustada, supuestamente para ver la tendencia, sería inferior a 0'5, a no ser que la serie sea mucho más larga que la longitud de onda (oscilación completa)

Por tanto, a ojo se puede identificar cuál será el R, sólo hay que valorar la relación en tamaño de la desviación típica con la longitud  y la pendiente de la recta (mejor dicho, segmento) ajustado.

Saludos.

Gracias Vigi.  Estos topics son los que dan nivel al foro y ahora a estudiar....