Ejercicios: La atmósfera

Nombra las capas de la atmósfera ordenadas desde la superficie terrestre hacia el espacio e indica un rasgo característico de cada una.

Indica la composición mayoritaria del aire (los dos gases dominantes con su proporción aproximada) y cita dos gases minoritarios cuya variación tiene gran importancia ambiental.

¿En qué capa de la atmósfera ocurren los fenómenos meteorológicos y en cuál se concentra el ozono? Explica qué función cumple cada una de esas dos capas.

Explica qué es la presión atmosférica, con qué instrumento se mide y en qué unidades, y razona cómo y por qué varía con la altitud (¿qué mide en realidad un altímetro barométrico?).

¿Qué es la humedad relativa del aire? Explica por qué una misma cantidad de vapor de agua da valores de humedad relativa distintos según la temperatura y relaciónalo con la formación del rocío al enfriarse la noche.

Explica por qué el cielo se ve azul al mediodía y rojizo al atardecer, recurriendo a la dispersión de la luz por las moléculas del aire y al camino más largo que recorre la luz cuando el Sol está bajo.

Cita cuatro contaminantes atmosféricos primarios (dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas en suspensión, monóxido de carbono) e indica una fuente principal de cada uno.

¿Qué es la tropopausa y a qué altitud aproximada se sitúa? Razona por qué los aviones comerciales vuelan cerca de ella (estabilidad, menos turbulencias, menor consumo).

Explica en qué consiste el gradiente térmico vertical de la troposfera y qué es una inversión térmica, relacionando esta última con los episodios de contaminación atrapada sobre las grandes ciudades en invierno.

Describe la función de la capa de ozono estratosférico, qué sustancias la destruyeron (los CFC) y por qué el Protocolo de Montreal se considera el mayor éxito de la diplomacia ambiental.

Explica el mecanismo de la brisa marina diurna y de la brisa terrestre nocturna (calentamiento y enfriamiento diferenciales de tierra y mar) y razona qué efecto tienen sobre la contaminación de una ciudad costera (¿la alejan del mar o la recirculan?).

Explica el efecto Foehn: qué le ocurre a una masa de aire húmeda al subir una cordillera (enfriamiento, condensación, lluvia) y al bajar por la otra vertiente (aire seco y más cálido), y relaciónalo con el contraste entre el piedemonte barinés, muy lluvioso, y los valles secos de los Andes merideños.

Diferencia un frente cálido de un frente frío: qué masa de aire avanza en cada caso, qué nubes y qué tipo de precipitación (persistente o intensa y breve) asocia cada uno, y qué cambio de temperatura nota un observador tras su paso.

Diferencia el smog clásico o de tipo Londres (mezcla de humo y niebla con $\text{SO}_2$ y partículas) del smog fotoquímico de tipo Los Ángeles (ozono y compuestos secundarios formados por la luz solar), indicando la estación y las condiciones típicas de cada uno.

Explica el papel del anticiclón de las Azores en el clima estival de la Península Ibérica (tiempo estable y seco) y el de los vientos alisios en Canarias, incluyendo la formación del «mar de nubes» que riega los bosques de laurisilva.

A partir del perfil térmico registrado por una sonda en la atmósfera terrestre (zonas 1 a 4):

1. a) Justifica, mediante el concepto de densidad del aire y gradiente térmico, por qué la zona 2 actúa como una tapadera dinámica que impide el desarrollo vertical de las nubes de tormenta de la zona 1.
2. b) Predice cómo cambiaría la morfología de la curva térmica en la zona 2 si se destruyera por completo la capa de ozono y qué consecuencia directa tendría ese cambio sobre la altitud del límite superior de la zona 1.
3. c) Los vuelos comerciales eligen con frecuencia la cota de transición entre las zonas 1 y 2, mientras que las auroras solo se observan en la zona 4. Justifica la altitud de vuelo comercial basándote en la estabilidad atmosférica y el consumo de combustible, y razona por qué las auroras no pueden producirse a menor altitud.

Durante un episodio invernal en una gran ciudad interior como Madrid, una estación medidora registra a las 7:00 h una concentración de $\text{NO}_2$ de $240\ \mu\text{g/m}^3$ (por encima del umbral de preaviso) y altos niveles de $\text{PM}_{2{,}5}$. El radiosondeo muestra una temperatura de $-1{,}5\ \text{°C}$ en superficie y $+4{,}5\ \text{°C}$ a $300\ \text{m}$ de altitud, con vientos superficiales de $0{,}4\ \text{m/s}$.

1. a) Demuestra con los datos térmicos por qué los contaminantes no pueden dispersarse verticalmente, calculando el gradiente térmico vertical de esa capa en $\text{°C/100 m}$ y deduciendo su signo respecto al gradiente adiabático normal.
2. b) Evalúa críticamente dos medidas de emergencia del protocolo de contaminación: prohibir el estacionamiento a no residentes en el centro urbano frente a reducir la velocidad en vías de circunvalación a $70\ \text{km/h}$. Justifica cuál actúa más directamente sobre las emisiones de $\text{NO}_2$ asociadas a frenadas, aceleraciones y congestión vehicular.
3. c) Diseña dos medidas estructurales urbanísticas y de movilidad que reduzcan de forma permanente la vulnerabilidad de la ciudad ante estos episodios meteorológicos, justificando su viabilidad sobre el balance de emisiones.

En enero, una estación del fondo de la cuenca del Ebro ($130\ \text{m}$ de altitud) registra durante diez días consecutivos niebla densa con máximas de $1{,}5\ \text{°C}$, mientras que un observatorio en una meseta circundante ($850\ \text{m}$) registra cielos despejados y $14\ \text{°C}$ a las 14:00 h.

1. a) Interpreta el origen termodinámico de esta situación: justifica cómo interactúan el enfriamiento radiactivo nocturno en una orografía en cubeta y la subsidencia de un anticiclón invernal para generar una inversión térmica basal extraordinariamente resistente.
2. b) Explica el bucle de retroalimentación positiva por el cual el albedo de la propia niebla impide que la insolación diurna caliente el suelo, perpetuando el confinamiento de la masa de aire frío y de los contaminantes en el fondo del valle.
3. c) Predice qué le ocurrirá a la concentración de partículas en el valle si se intensifica la subsidencia anticiclónica frente a un escenario en el que entra un frente atlántico con vientos del noroeste (cierzo) superiores a $45\ \text{km/h}$. Justifica la evolución de la estabilidad atmosférica en ambos casos.

Un municipio litoral aprueba la construcción de una hilera continua de torres residenciales de 22 plantas a escasos metros de la playa, sustituyendo una franja previa de viviendas unifamiliares de baja densidad con arbolado.

1. a) Justifica termodinámicamente cómo se produce la brisa marina diurna (virazón) y predice cómo la pantalla arquitectónica alterará la penetración del flujo de aire y su velocidad hacia las urbanizaciones del interior situadas a $2\ \text{km}$ de la costa, atendiendo a la rugosidad aerodinámica del suelo.
2. b) Durante una ola de calor, razona de qué manera este obstáculo físico y la sustitución de vegetación por asfalto y hormigón intensifican el efecto de isla de calor urbana nocturna y dificultan la renovación del aire bajo condiciones de terral (brisa de tierra nocturna).
3. c) Diseña tres criterios urbanísticos vinculantes (en cuanto a la orientación de las avenidas principales respecto a la línea de costa, escalonamiento de alturas y albedo/permeabilidad del suelo) que deberían incorporarse al proyecto para garantizar corredores de ventilación marina efectivos y optimizar el confort térmico en el interior de la ciudad.