Exercicis: L'atmosfera

Anomena les capes de l'atmosfera ordenades des de la superfície terrestre cap a l'espai i indica un tret característic de cadascuna.

Indica la composició majoritària de l'aire (els dos gasos dominants amb la seva proporció aproximada) i esmenta dos gasos minoritaris la variació dels quals tingui una gran importància ambiental.

En quina capa de l'atmosfera tenen lloc els fenòmens meteorològics i en quina es concentra l'ozó? Explica quina funció compleix cadascuna d'aquestes dues capes.

Explica què és la pressió atmosfèrica, amb quin instrument es mesura i en quines unitats, i raona com i per què varia amb l'altitud (què mesura en realitat un altímetre baromètric?).

Què és la humitat relativa de l'aire? Explica per què una mateixa quantitat de vapor d'aigua dona valors d'humitat relativa diferents segons la temperatura i relaciona-ho amb la formació de la rosada en refredar-se la nit.

Explica per què el cel es veu blau al migdia i vermellós al capvespre, recorrent a la dispersió de la llum per les molècules de l'aire i al camí més llarg que recorre la llum quan el Sol està baix.

Esmenta quatre contaminants atmosfèrics primaris (diòxid de sofre, òxids de nitrogen, partícules en suspensió, monòxid de carboni) i indica una font principal de cadascun.

Què és la tropopausa i a quina altitud aproximada se situa? Raona per què els avions comercials volen a prop seu (estabilitat, menys turbulències, menor consum).

Explica en què consisteix el gradient tèrmic vertical de la troposfera i què és una inversió tèrmica, relacionant aquesta darrera amb els episodis de contaminació atrapada sobre les grans ciutats a l'hivern.

Descriu la funció de la capa d'ozó estratosfèric, quines substàncies la van destruir (els CFC) i per què el Protocol de Mont-real es considera el major èxit de la diplomàcia ambiental.

Esquematitza amb paraules la circulació general de l'atmosfera (cèl·lula de Hadley, zona de convergència intertropical, anticiclons subtropicals) i utilitza-la per a explicar el contrast climàtic entre el nord humit i el sud-est àrid de la península Ibèrica.

Explica el mecanisme de la brisa marina diürna i de la brisa terrestre nocturna (escalfament i refredament diferencials de terra i mar) i raona quin efecte tenen sobre la contaminació d'una ciutat costanera (l'allunyen del mar o la recirculen?).

Explica l'efecte Foehn: què li passa a una massa d'aire humida en pujar una serralada (refredament, condensació, pluja) i en baixar per l'altre vessant (aire sec i més càlid), i relaciona-ho amb el contrast entre la cornisa cantàbrica i la Meseta.

Diferencia un front càlid d'un front fred: quina massa d'aire avança en cada cas, quins núvols i quin tipus de precipitació (persistent o intensa i breu) associa cadascun, i quin canvi de temperatura nota un observador després del seu pas.

Diferencia el smog clàssic o de tipus Londres (barreja de fum i boira amb $\text{SO}_2$ i partícules) del smog fotoquímic de tipus Los Angeles (ozó i compostos secundaris formats per la llum solar), indicant l'estació i les condicions típiques de cadascun.

Explica el paper de l'anticicló de les Açores en el clima estival de la Península (temps estable i sec) i el dels vents alisis a les Canàries, incloent-hi la formació del «mar de núvols» que rega els boscos de laurisilva.

A partir del perfil tèrmic registrat per una sonda a l'atmosfera terrestre (zones 1 a 4):

1. a) Justifica, mitjançant el concepte de densitat de l'aire i gradient tèrmic, per què la zona 2 actua com una tapadora dinàmica que impedeix el desenvolupament vertical dels núvols de tempesta de la zona 1.
2. b) Prediu com canviaria la morfologia de la corba tèrmica a la zona 2 si es destruís completament la capa d'ozó i quina conseqüència directa tindria aquest canvi sobre l'altitud del límit superior de la zona 1.
3. c) Els vols comercials trien sovint la cota de transició entre les zones 1 i 2, mentre que les aurores només s'observen a la zona 4. Justifica l'altitud de vol comercial basant-te en l'estabilitat atmosfèrica i el consum de combustible, i raona per què les aurores no es poden produir a menor altitud.

Considera el balanç radiatiu terrestre en equilibri inicial ($340\ \text{W/m}^2$ incidents mitjans al cim de l'atmosfera).

1. a) Un model climàtic avalua dues pertorbacions antropogèniques independents: 1) una reducció de l'albedo mitjà del $30\ \%$ al $28\ \%$ per desglaç àrtic i urbanització; 2) un augment de gasos d'efecte d'hivernacle que disminueix en $3{,}5\ \text{W/m}^2$ la radiació d'ona llarga emesa a l'espai exterior. Calcula el forçament radiatiu net que introdueix cada pertorbació i interpreta quina causaria un desequilibri tèrmic inicial més gran.
2. b) Un negacionista del canvi climàtic sosté: «Si la Terra absorbeix més energia de la que emet, la superfície emetrà immediatament més radiació infraroja cap a l'espai i l'equilibri es restablirà sense que pugi la temperatura mitjana». Rebat raonadament aquesta afirmació utilitzant la llei d'Stefan-Boltzmann i el mecanisme d'absorció/reemissió de l'efecte d'hivernacle.
3. c) Explica com els radiòmetres a bord de satèl·lits (com la missió CERES) aconsegueixen mesurar el desequilibri energètic de la Terra diferenciant l'energia reflectida d'ona curta enfront de la radiació tèrmica emesa d'ona llarga.

Durant un episodi hivernal en una gran ciutat interior com Madrid, una estació mesuradora registra a les 7:00 h una concentració de $\text{NO}_2$ de $240\ \mu\text{g/m}^3$ (per sobre del llindar de preavís) i alts nivells de $\text{PM}_{2{,}5}$. El radiosondatge mostra una temperatura de $-1{,}5\ \text{°C}$ en superfície i $+4{,}5\ \text{°C}$ a $300\ \text{m}$ d'altitud, amb vents superficials de $0{,}4\ \text{m/s}$.

1. a) Demostra amb les dades tèrmiques per què els contaminants no es poden dispersar verticalment, calculant el gradient tèrmic vertical d'aquesta capa en $\text{°C/100 m}$ i deduint el seu signe respecte al gradient adiabàtic normal.
2. b) Avalua críticament dues mesures d'emergència del protocol de contaminació: prohibir l'aparcament a no residents al centre urbà enfront de reduir la velocitat en vies de circumval·lació a $70\ \text{km/h}$. Justifica quina actua més directament sobre les emissions de $\text{NO}_2$ associades a frenades, acceleracions i congestió vehicular.
3. c) Dissenya dues mesures estructurals urbanístiques i de mobilitat que redueixin de manera permanent la vulnerabilitat de la ciutat davant d'aquests episodis meteorològics, justificant la seva viabilitat sobre el balanç d'emissions.

Al gener, una estació del fons de la conca de l'Ebre ($130\ \text{m}$ d'altitud) registra durant deu dies consecutius boira densa amb màximes d'$1{,}5\ \text{°C}$, mentre que un observatori en un altiplà circumdant ($850\ \text{m}$) registra cels serens i $14\ \text{°C}$ a les 14:00 h.

1. a) Interpreta l'origen termodinàmic d'aquesta situació: justifica com interactuen el refredament radiatiu nocturn en una orografia en cubeta i la subsidència d'un anticicló hivernal per generar una inversió tèrmica basal extraordinàriament resistent.
2. b) Explica el bucle de retroalimentació positiva pel qual l'albedo de la mateixa boira impedeix que la insolació diürna escalfi el sòl, perpetuant el confinament de la massa d'aire fred i dels contaminants al fons de la vall.
3. c) Prediu què li passarà a la concentració de partícules a la vall si s'intensifica la subsidència anticiclònica enfront d'un escenari en el qual entra un front atlàntic amb vents del nord-oest (cerç) superiors a $45\ \text{km/h}$. Justifica l'evolució de l'estabilitat atmosfèrica en tots dos casos.

Tot i que més del $80\ \%$ de les emissions històriques de CFC es van originar a l'hemisferi nord, el forat de la capa d'ozó és molt més profund i recurrent sobre l'Antàrtida que sobre l'Àrtic.

1. a) Resol aquesta aparent paradoxa geogràfica: relaciona la distribució de masses continentals i marines d'ambdós pols amb la intensitat del vòrtex polar i justifica per què les temperatures inferiors a $-78\ \text{°C}$ a l'estratosfera austral afavoreixen la formació massiva de núvols estratosfèrics polars (NEP) absents a l'Àrtic la majoria dels anys.
2. b) Durant la nit polar, el clor roman atrapat en compostos reservori inactius (com ara el $\text{ClONO}_2$ i el $\text{HCl}$). Explica la reacció heterogènia que té lloc sobre els cristalls de gel dels NEP i justifica per què la destrucció explosiva de l'ozó té lloc precisament a l'inici de la primavera austral (setembre-octubre) i no a mitjan hivern.
3. c) Si l'emissió de CFC es va reduir dràsticament després del Protocol de Mont-real, justifica a partir de la cinètica química dels CFC i la dinàmica de transport estratosfèric per què el temps mitjà de recuperació de la columna d'ozó es mesura en dècades i no en anys.

Un sondeig atmosfèric realitzat en una plana al migdia registra $28\ \text{°C}$ a $0\ \text{m}$ d'altitud; $19\ \text{°C}$ a $1000\ \text{m}$; $14\ \text{°C}$ a $2000\ \text{m}$; $11\ \text{°C}$ a $3000\ \text{m}$; i $-56\ \text{°C}$ a $12\ \text{km}$ (nivell de la tropopausa).

1. a) Calcula el gradient tèrmic vertical ambiental (GTV) en $\text{°C/100 m}$ per a cadascun dels tres primers trams ($0-1000\ \text{m}$, $1000-2000\ \text{m}$ i $2000-3000\ \text{m}$) i compara'ls amb el gradient troposfèric mitjà estàndard ($0{,}65\ \text{°C/100 m}$).
2. b) Una bombolla d'aire sec a $30\ \text{°C}$ ascendeix per empenyiment tèrmic refredant-se al gradient adiabàtic sec ($\text{GAS} = 1\ \text{°C/100 m}$). Determina a quina altitud exacta assolirà la flotabilitat neutra i indica si l'atmosfera és inestable o estable en cadascun dels trams que travessa.
3. c) Prediu què li passarà a la flotabilitat d'un núvol de tempesta que ascendeixi amb força convectiva quan el seu cim arribi als $12\ \text{km}$ i penetri a l'estratosfera. Justifica a partir d'aquí per què els cumulonimbes desenvolupen una morfologia plana en forma d'enclusa en aquest nivell.

El transport atmosfèric a llarga distància connecta regions separades per milers de quilòmetres, com les masses de pols sahariana que arriben a la península Ibèrica o les emissions industrials de $\text{SO}_2$ del centre d'Europa que acidificaven els llacs d'Escandinàvia.

1. a) Interpreta la següent paradoxa biogeoquímica: una intrusió severa de pols sahariana incrementa perillosament les partícules en suspensió ($\text{PM}_{10}$) a les ciutats, però al mateix temps eleva el pH de la pluja en zones rurals acidificades. Justifica la composició mineralògica de la pols responsable d'aquest efecte tampó.
2. b) Als llacs escandinaus sobre substrat granític, la pluja àcida va provocar la desaparició de comunitats senceres de peixos, mentre que en llacs ibèrics sobre substrat calcari el dany va ser inapreciable davant de càrregues àcides equivalents. Justifica químicament aquesta diferència de vulnerabilitat i dedueix el mecanisme de formació de l'àcid sulfúric a partir del $\text{SO}_2$ durant el seu viatge atmosfèric.
3. c) Dissenya un mètode que permeti a les autoritats ambientals d'una comunitat autònoma demostrar amb base científica davant la Comissió Europea si una superació del límit diari de $\text{PM}_{10}$ ($50\ \mu\text{g/m}^3$) es deu exclusivament a un esdeveniment de calitja sahariana o a l'aportació del trànsit i la indústria local.

Un municipi litoral aprova la construcció d'una filera contínua de torres residencials de 22 plantes a pocs metres de la platja, substituint una franja prèvia d'habitatges unifamiliars de baixa densitat amb arbrat.

1. a) Justifica termodinàmicament com es produeix la brisa marina diürna (marinada) i prediu com la pantalla arquitectònica alterarà la penetració del flux d'aire i la seva velocitat cap als barris de l'interior situats a $2\ \text{km}$ de la costa, atenent a la rugositat aerodinàmica del sòl.
2. b) Durant una onada de calor estival, raona de quina manera aquest obstacle físic i la substitució de vegetació per asfalt i formigó intensifiquen l'efecte d'illa de calor urbana nocturna i dificulten la renovació de l'aire sota condicions de terral (brisa de terra nocturna).
3. c) Dissenya tres criteris urbanístics vinculants (pel que fa a l'orientació de vials principals respecte a la línia de costa, esglaonament d'altures i albedo/permeabilitat del sòl) que s'haurien d'incorporar al projecte per garantir corredors de ventilació marina efectius i optimitzar el confort tèrmic a l'interior de la ciutat.