SISTEMA CLIMATICO

INTRODUCCIÓN

El sistema climático global es una consecuencia de una conexión entre la atmósfera, los océanos, las capas de hielo (criosfera), los organismos vivos (biosfera), los sedimentos y rocas (geosfera). Solo considerando al sistema climático en estos términos es posible entender el flujo y los ciclos de energía y materia en la atmósfera y comprender qué es requerido para investigar las causas y efectos del cambio climático.

Habiendo enfatizado la interconectividad de los elementos que componen el sistema climático, parece entonces inapropiado dividir una discusión sobre el mismo en secciones separadas, en donde cada una trate de una distinta componente del sistema. Sin embargo, sin esta racionalización tal discusión resultaría muy dificultosa, a la luz de la gran complejidad del sistema climático.

El clima es un recurso natural que afecta a la producción agraria. Su influencia en un cultivo determinado, no depende sólo de las características climáticas de la localidad en que esté situado, sino también en gran medida de las condiciones en que se desarrolla la producción. Es decir, tiene tanta importancia el nivel de exposición del cultivo al clima, como el nivel de vulnerabilidad.

Naturalmente la modificación del tiempo no es posible, no se pueden controlar, afortunadamente, los fenómenos atmosféricos, pero sí, en cierto modo, se pueden controlar indirectamente, es decir: Evidentemente, no puedo hacer que llueva, pero sí puedo no regar si conozco que la precipitación de esa noche ha sido de X litros, o bien: No puedo evitar que se den las condiciones climáticas necesarias para que entre en actividad una determinada plaga, pero sí puedo hacer un seguimiento agrícola de esas condiciones y conocer de antemano la probabilidad de que esta plaga se produzca, pudiendo adelantarme con el tratamiento adecuado.

Una de las formas más utilizadas actualmente para estudiar el impacto de un cambio climático sobre los sistemas agrícolas y pecuarios, es evaluando escenarios futuristas de cambio en modelos computacionales de simulación de crecimiento de cultivos. Estos permiten analizar el comportamiento productivo durante todo el ciclo del cultivo bajo diferentes marcos climáticos, obteniendo resultados sobre los efectos de variaciones en la temperatura, la precipitación y la radiación solar, principalmente.

OBJETIVOS

• Conocer los componentes del sistema climático y entender cómo interactúan para adecuar el sistema agrario de acuerdo al condicionamiento del clima.

• Incrementar la capacidad del sector agrario para comprender y responder al clima. Para ello, se dan a conocer qué variables climáticas explican parte de la variación de la productividad agraria.

• Definir las principales variables o elementos del tiempo y el clima, así como sus factores y su relación con el crecimiento y desarrollo de los cultivos. 

SISTEMA CLIMÁTICO

El sistema climático es el fruto de la interacción de una serie de subsistemas, los que poseen diversas propiedades físicas que se expresan a través de fuertes interconexiones, por medio de las cuales se transfiere energía, momento y materia.

Los subsistemas que dan forma a la globalidad del sistema climático son la atmósfera, la litosfera, la hidrosfera, la criosfera, y la biosfera; todos estos subsistemas se hallan controlados por la influencia de la radiación solar, la única fuente de energía de carácter significativo.

A. La atmósfera

La atmósfera es una mezcla de diferentes gases y aerosoles (partículas sólidas y líquidas suspendidas) colectivamente conocido como aire que envuelve la tierra, formando un sistema (climático) ambiental integrado con todas las componentes de la tierra. La atmósfera proporciona varias funciones, nada menos que sustentar la vida. De primer interés para una discusión del cambio climático, sin embargo, es su capacidad para controlar el balance de energía de la tierra. Para comprender este proceso, será necesario estudiar en más detalle la composición de la atmósfera.

 Composición

Vamos a considerar primero a los gases de la atmósfera. La Tabla 1.1 ilustra la composición gaseosa promedio del aire seco por debajo de los 25km de altura. Aunque se han detectado oligoelementos (elementos químicos en muy pequeñas proporciones) bien fuera en el espacio, 99% de la masa de la atmósfera yace por debajo de unos 25 a 30km de altura, mientras que el 50% está concentrado en los 5km más bajos (menor altura que la de Monte Everest).

Esta mezcla gaseosa permanece en una composición increíblemente uniforme, y es el resultado de procesos de reciclado biogeoquímicos y mezclamiento turbulento en la atmósfera. Los dos gases más abundantes son el nitrógeno (78% en volumen) y el oxígeno (21% en volumen) y en conjunto completan más del 99% de la baja atmósfera. No hay evidencias que los niveles relativos de estos dos gases estén cambiando significativamente en el tiempo.

Tabla 1.1. Composición media de la atmósfera debajo de 25km

† Estrictamente hablando, la concentración de ozono en la atmósfera es variable.

‡ Gases inertes.

A pesar de su relativa escasez, los llamados gases invernadero juegan un importante papel en la regulación del balance de energía de la tierra.

 Estructura vertical

La mayoría de los constituyentes gaseosos están bien mezclados a través de la atmósfera. Sin embargo, la atmósfera en si mismo no es físicamente uniforme pues tiene variaciones significativas en la temperatura y la presión con la altura. La Figura 1.1 muestra la estructura de la atmósfera, en la que se definen una serie de capas por las inversiones de la temperatura. La capa más baja, con frecuencia referida como baja atmósfera, es llamada la troposfera. Su espesor oscila entre 8 km en los polos y 16 km sobre el ecuador, mayormente como resultado de diferentes balances de energía en estas posiciones. Aunque ocurren variaciones, en disminución promedio de la temperatura con la altura (conocida como gradiente) es de aproximadamente 6,5ºC por kilómetro. La troposfera contiene hasta el 75% de la masa gaseosa de la atmósfera, así como casi todo el vapor de agua y aerosoles, mientras que el 99% de la masa atmosférica yace debajo de los

30 km más bajos.

Debido a la estructura de la temperatura de la troposfera, es en esta región de la atmósfera donde se desarrolla la mayoría de los sistemas de tiempo del mundo. Estos son en parte conducidos por los procesos convectivos que son establecidos cuando el aire cálido de superficie (calentado por la superficie de la tierra) se expande y asciende mientras es enfriado en los altos niveles de la troposfera.

La tropopausa marca el límite superior de la troposfera, sobre la cual la temperatura permanece constante antes de comenzar a aumentar de nuevo por sobre los 20 km. Esta inversión de temperatura previene una mayor convección del aire, confinando entonces la mayoría de los sistemas de tiempo del globo a la troposfera.

La capa por sobre la tropopausa en la que la temperatura comienza a ascender es conocida como estratosfera. A través de esta capa, la temperatura continúa elevándose hasta cerca de una altura de 50 km, donde el aire rarificado puede alcanzar temperaturas cercanas a 0º C. Esta elevación de la temperatura es causada por la absorción de radiación solar ultravioleta por la capa de ozono. Un perfil de temperaturas como este crea condiciones muy estables y la estratosfera carece de la turbulencia que es tan prevaleciente en la troposfera.

La estratosfera está tapada por la estratopausa, otra inversión de temperatura que aparece a alrededor de los 50 km. Sobre esta yace la mesosfera hasta alrededor de los 80 km a través de la cual la temperatura cae de nuevo hasta casi –100º C. Por sobre los 80 km la temperatura se eleva continuamente (la termosfera) hasta bien más de 1000º C, aunque debido a la naturaleza altamente rarificada de la atmósfera a estas alturas, dichos valores no son comparables a los de la troposfera o la estratosfera.

Fig. 1.1. Estructura vertical de la atmósfera

 Leyes de radiación

La atmósfera terrestre tiene una influencia importante sobre el balance de energía del sistema climático global. Esto está determinado por los procesos termodinámicos involucrados en las transferencias de energía solar y terrestre.

La principal fuente de energía de la tierra es el sol, que produce radiación electromagnética a partir de reacciones de fusión nuclear que involucra al hidrógeno en su núcleo. La radiación emitida desde su superficie tiene una temperatura de aproximadamente 5800 Kelvin (K). La radiación es emitida sobre un espectro de longitudes de onda, con una cantidad específica de energía para cada longitud de onda, calculada mediante el uso de la ley de Planck:

(1)

Donde Eλ es la cantidad de energía (Wm-2µm-1) emitida a una longitud de onda λ (µm) por un cuerpo a una temperatura T (K) con a y b como constantes. Esto asume que el sol es un cuerpo radiador perfecto (negro).

Diferenciando la ecuación (1) (ley de Planck) es posible determinar la longitud de onda de máxima emisión de radiación del sol:

λ = 2897 / T (2)

Esta es la ley de Wien y para T = 5800 K (la temperatura de la superficie solar) la longitud de onda de máxima energía es aproximadamente 0,5 µm. Esto representa radiación en la parte visible del espectro.

Integrando la ecuación 1, se puede determinar la energía total emitida por el sol, que está dada por la ley de

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