CAPITULO IV

OTROS PARAMETROS CLIMATOLOGICOS

En este capítulo se describirán los procesos naturales que afectan a la temperatura,

la generación de humedad en la atmósfera y los fenómenos físicos y atmosféricos que

causan el movimiento del aire. Los tipos de sensores utilizados para determinar la magnitud

de estas variables y las formas estandarizadas mundialmente de reportar sus mediciones.

IV.1 Temperatura.

La medición de temperatura es una de las estimaciones meteorológicas básicas y

afortunadamente puede ser hecha con una amplia variedad de procesos físicos (expansión

térmica, resistencia eléctrica, generación termoeléctrica, etc.). Los datos medidos de

temperatura son solicitados por muchos usuarios de datos meteorológicos y los procesos

para realizar dichas mediciones son usualmente compatibles con la electrónica, lo cual la

hace fácil de transducir o modificar.

Por increíble que parezca, en estos días de termómetros baratos y de informes

constantes sobre la temperatura, apenas en el siglo XVIII no había ningún modo de medir

con precisión los grados de ausencia o presencia de calor. El primer instrumento

rudimentario para medir el grado de temperatura de los cuerpos, construído por Galileo a

finales del siglo XVI, se basó en la dilatación térmica del aire contenido en un tubo de

vidrio. Posteriormente se fue desarrollando un termómetro basado en la dilatación de los

líquidos, que es más estable a las variaciones de altura y tiempo [4].

Todos los instrumentos primitivos carecieron de una escala definitiva de medición,

por lo que fue Daniel Fahrenheit quien estaba destinado a escoger una alta y una baja, que

aunque no perfectas, tenían una variación de pocos grados. Para la baja escogió una mezcla

“congelante” de hielo, agua y sal. Para la alta tomó la temperatura del cuerpo de un hombre

saludable, a la cual asignó arbitrariamente el número 96 (que es bien divisible) en vez de

98.6° que es nuestra medición actual. Empleando mercurio como líquido dilatable,

determinó que el hielo puro fundía a 32° y, prolongando esta escala nueva hacia arriba,

estableció que el agua hierve a 212°.

En 1730, Réaumur propuso una escala que todavía se emplea ocasionalmente en

Europa, que divide en 80 grados el intervalo entre el punto de ebullición y el de

congelación del agua. Doce años después, el sueco Anders Celsius sugirió tomar el cero

como el punto de ebullición del agua y los cien grados como el de congelación; esta escala

no tardó en ser invertida, a fin de poner en 100 grados el punto de ebullición y en 0° el de

congelación. La escala resultante, que hoy llamamos Centígrada o Celsius facilitó las cosas

a los científicos; se usa en todo el mundo, a excepción de los Estados Unidos y algunas

naciones de la comunidad británica que aún se aferran a la escala Fahrenheit, engorrosa y

difícil de manejar.

Hay además otra escala de temperatura, la cual es muy usada por los científicos,

quienes se han dado cuenta de que si lo frío es simplemente la ausencia de calor,

lógicamente se sigue de ahí que debe haber un punto donde no haya nada de calor. Este

concepto originó en 1848 la escala Kelvin, así llamada en honor de Lord Kelvin, físico

inglés. En la escala Kelvin, el cero es equivalente a -273.16°C (-459.7°F) y es la

temperatura mas baja concebible en el universo.

Se ha estado hablando de calor y de temperatura y se podría pensar que se trata de la

misma cosa, por lo que se hace necesario definir sus términos. Aquí se muestran unas

deficiniciones sencillas [8]:

Calor. Es la cantidad de energía térmica que un cuerpo tiene en un instante dado; además

tiene la capacidad de efectuar un trabajo mecánico. El calor en un cuerpo depende

cualitativamente de su nivel térmico (temperatura), de su cantidad de materia (masa) y de

su capacidad de almacenar energía en forma térmica (calor específico, dependiente de la

naturaleza del cuerpo).

Temperatura. Es la medida de la agitación de sus moléculas o intensidad de calor y también

puede definirse como un número medido en una escala arbitraria que indica cuando dos

cuerpos están en equilibro termodinámico.

El clima, su comportamiento y las condiciones climatológicas globales están

compuestas de muchos elementos, de los cuales la temperatura es el más influyente. Este es

el componente que tiene un impacto fundamental en muchísimas actividades: nuestro

vestido, necesidades energéticas, desarrollo agrícola, nuestros hogares y aún nuestra

integridad física. Además, aunque la radiación solar (estrictamente el balance de energía) es

el control primario, es la variación espacial y temporal en la temperatura la que ayuda a

determinar la situación climática.

La interface afectará claramente la temperatura del aire sobre ella, pero es

impráctico medir continuamente la temperatura del aire a una altura suficiente para reducir

el efecto completamente. La altura de 1.5 a 2 m. es un compromiso, de conveniencia y

realismo, ya que estamos mas preocupados por el espacio en el que vivimos, el nivel

inferior de la biósfera.

La temperatura está determinada cercanamente, pero no exclusivamente, por la

insolación. De ahí, tenemos dos ciclos dominantes, el diurno y el anual. En todas las

estaciones meteorológicas la temperatura mínima (en el aire a la sombra a 1.5 m.)

usualmente ocurrirá alrededor del amanecer (debido a que la radiación neta todavía es

negativa en ese momento), y la máxima se alcanzará alrededor de las 2 o 3 horas del

mediodía local (el tiempo de retraso para la conducción y los procesos convectivos afectan

las condiciones a esa altura). En la Figura 4.1 pueden observarse las gráficas generadas a

partir de datos de temperatura. En estas gráficas se observan los fenómenos descritos

anteriormente. Además los efectos de frentes de temperaturas diferentes a la media, que

influencían su forma.

La humedad es también un factor que determina los rangos de temperatura. Sobre el

agua, mucha de la radiación neta se emplea en el proceso evaporativo; de ahí los rangos de

temperatura extremadamente reducidos. El vapor de agua en la atmósfera influencía la

temperatura porque sus bandas de absorción ocurren en la región infrarroja del espectro, así

que mucha de la radiación terrestre es absorbida y regresada a la tierra. Este efecto neto de

calentamiento sobre la superficie y la temperatura cercana a la superficie es llamado efecto

atmosférico, un término preferible al de efecto invernadero. El bióxido de carbono también

juega un rol en este proceso.

IV.1.1 Bulbo seco y bulbo húmedo.

Dos condiciones de temperatura que son de importancia para su medición son la

temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo. Estas dos variables son

empleadas en la determinación del grado de saturación de una mezcla vapor-gas. En este

caso hablaremos de la mezcla aire-vapor de agua. La aplicación práctica reside en la

aportación de información para el diseño de torres de enfriamiento, de equipo de

evaporación, en el diseño de viviendas y su acondicionamiento climático.

Bulbo seco. Es la temperatura de una mezcla de vapor-gas determinada en la forma

ordinaria por inmersión de un termómetro en la mezcla. En otras palabras, es la temperatura

registrada por un termómetro ordinario considerada como temperatura ambiente.

Bulbo húmedo. Es la temperatura en estado estacionario alcanzada por una pequeña

cantidad de líquido que se evapora en una gran cantidad de una mezcla de vapor-gas (aire-

agua) no saturada. En condiciones apropiadamente controladas, dicha temperatura puede

utilizarse para medir la humedad de la mezcla. Para obtener este valor correctamente, se

cubre el bulbo de un termómetro con un material fibroso humedecido en el líquido y se

introduce a una corriente de mezcla gaseosa que se mueve rápidamente. La temperatura que

indica este termómetro alcanzará finalmente un valor inferior a la temperatura de bulbo

seco del gas, si este último no está saturado.

Figura 4.1. Patrones esquemáticos de temperaturas diarias (en condiciones de baja nubosidad) para

(a) estación ecuatorial a nivel del mar, (b) estación a nivel del mar a 40°N en invierno, (c) estación a

nivel del mar a 40°N en verano, (d) estación a nivel del mar a 40°N en invierno durante frente frío, (e)

estación a nivel del mar a 40°N en primavera durante frente cálido.

La diferencia de temperaturas se debe a que como la mezcla gaseosa no esta

saturada, una porción del líquido que está en el material fibroso empieza a evaporarse. El

mecanismo de evaporación requiere de una cantidad de calor latente para efectuarse, el cual

será obtenido de una región circundante al área donde se está efectuando la evaporación. La

fuente de calor en un principio será el calor que tiene el mismo líquido, que empezará a

enfriarse. Cuando la temperatura del líquido sea menor que la temperatura de la mezcla,

entonces el calor del gas empezará a fluir hacia el líquido hasta alcanzar una estabilidad de

transferencia de calor entre el gas y el líquido en evaporación y la temperatura del líquido

permanecerá constante en algún valor bajo [22].

IV.1.2 Instrumentos comunes.

- Termómetro de líquido en tubo de vidrio. Se puede decir que este es el tipo más común de

termómetros. Consta de un bulbo o depósito de vidrio, el cual se prolonga por su extremo

abierto en forma de un tubo capilar graduado en su exterior, también de vidrio, cerrado en

su extremo más alejado. Dentro de este arreglo se encuentra encerrado un líquido

(generalmente etanol puro coloreado o mercurio). Mediante la acción del calor el líquido

contenido en el depósito se dilata y asciende por el tubo capilar. La lectura se realiza sobre

la escala grabada en el capilar, en donde se detiene la columna del líquido. Con

termómetros de mercurio el límite inferior de medición se encuentra en los -36°C, que es su

punto de congelación. A temperaturas mas bajas, el etanol puro da resultados satisfactorios

[10].

Bajo este principio existen diferentes configuraciones de termómetros, que se

utilizan para determinar temperaturas ambiente, máximas y mínimas diarias, y que se

utilizan en estaciones meteorológicas en todo el mundo.

- Termómetros metálicos llenos de líquido. También llamados sistemas termales llenos (ver

Figura 4.2). Se diseñaron para facilitar la indicación y el registro de la temperatura a cierta

distancia del punto de medición. Su principio también esta basado en la expansión térmica

de un líquido, solo que dicho líquido esta encerrado en un depósito unido a un capilar

metálico. En el extremo del capilar se encuentra un elemento sensible a la presión

(generalmente un tubo de Bourdon), el cual proporcionará los medios para registrar la

temperatura.

Cuando se aplica calor al bulbo del termómetro, el líquido contenido en su interior

empieza a dilatarse, generando una presión dentro del sistema. Esta presión se transmite a

través del capilar hasta el elemento sensible (Bourdon), provocando un movimiento o

fuerza que será registrada por una plumilla o aguja.

Existen diferentes tipos de termómetros, dependiendo del elemento sensible a la

presión (Bourdon, fuelle, diafragma), del fluído utilizado para la expansión (algunas veces

gases) y del sistema de compensación del movimiento para lecturas mas exactas. Todas

estas características proporcionan un termómetro bastante versátil y debido a su

configuración sencilla, también lo hace un sistema resistente y barato.

Bourdon

Escala

CapilarBulbo

Figura 4.2. Diagrama esquemático de un sistema termal lleno.

- Termopar. En este tipo de termómetros se aplica el principio de la termoelectricidad,

descubierto por Seebeck en 1821. El termopar es uno de los sistemas de medición más

usados en la termometría moderna.

Cuando se unen dos alambres de diferentes metales por uno de sus extremos y esa

unión se calienta, se desarrolla un pequeño voltaje de corriente directa proporcional a la

temperatura de esa punta caliente (unión de medición). Las dos puntas libres de los

alambres se conectan entonces a un milivoltímetro o potenciómetro, el cual mide la

corriente generada y la indican o registran en términos de temperatura. La mayoría de los

termopares comerciales generan una corriente o fuerza electromotriz (fem) del orden de 20

a 50 mV a través de su rango normal de operación.

Existen diferentes efectos y leyes que gobiernan la operación de un termopar, así

como existen varias reglas y límites de aplicación entre las distintas aleaciones comerciales

que pueden utilizarse para medir temperaturas. Todos los arreglos termopares están

influenciados en mayor ó menor grado por éllos. Aquí se describen brevemente [10]:

• Efecto Peltier. Es el efecto que gobierna la fem resultante únicamente del contacto entre

los dos metales diferentes (su magnitud varía con la temperatura en el punto de

contacto).

• Efecto Thompson. Es el resultado de un gradiente de temperatura a lo largo de un

alambre sencillo. La fem resultante es menos predominante que en el efecto anterior.

• Ley de las temperaturas intermedias. Establece que la suma de las fem generadas por

dos termopares, uno con sus uniones a 32°F y alguna temperatura de referencia, el otro

con sus uniones a la misma temperatura de referencia y a la temperatura de medición,

es equivalente a la producida por un termopar único con sus uniones a 32°F y a la

temperatura de medición.

• Ley de los metales intermedios. Aparentemente la introducción de metales adicionales

en un sistema termopar modificará la fem desarrollada por el termopar y afectará su

calibración. Sin embargo, esta ley establece que la introducción de un tercer metal

dentro del circuito no tendrá efecto sobre la fem generada, siempre que las uniones del

tercer metal con los otros dos estén a la misma temperatura.

En cuanto a los metales o aleaciones, se han estandarizado algunas combinaciones,

dependiendo de las relaciones fem-temperatura, las cuales deben ser razonablemente

lineales dentro de un rango más o menos amplio de medición, además de que físicamente

deben ser capaces de soportar períodos sostenidos de altas temperaturas, cambios rápidos

de temperatura y el efecto de atmósferas corrosivas. Algunas características fisicoquímicas

de termopares disponibles comúnmente pueden verse en la Tabla 4.1.

El uso de termopares está ampliamente difundido en aplicaciones industriales y de

investigación científica, principalmente por su facilidad de instalación, su sencillez y la

forma relativamente fácil de medir su señal eléctrica. Existen compañías como Omega,

Cole-Parmer y Bailey, que producen gran cantidad de arreglos termopares para distintos

usos, además de construir muchos tipos de transductores y medidores electrónicos para

desplegar la temperatura medida por éllos. En la Figura 4.3 se muestra una sencilla carta de

selección de termopares. Contiene información de los tipos de termopar y los rangos

confiables de medición de temperaturas.

Tabla 4.1. Tabla representativa de termopares comerciales mas comunes.

Tipo

Aleaciones Propiedades Calibre AWG*

T Cobre - Constantán Resistente a la corrosión, Exacto en rango de -300 a 750°C

14, 20, 24, 28

J Hierro - Constantán Resiste atmósferas reductoras. 8, 14, 20, 24, 28 K Cromel - Alumel Resiste atmósferas oxidantes limpias; en

reductoras pierde exactitud. 8, 14, 20, 24, 28

E Cromel - Constantán Genera el mas alto valor de fem. Resiste atmósferas ligeramente oxidantes o

reductoras.

8, 14, 20, 24, 28

G Tungsteno - 26% Renio Resiste muy altas temperaturas, poca resistencia a la oxidación.

24, 28

R Platino - 13% Rodio Alta resistencia a la oxidación y a la 24 S Platino - 10% Rodio corrosión. Se contaminan fácilmente B Platino 6% Rodio - 30%

Rodio con H, C y muchos vapores metálicos.

* AWG .- American Wire Gauge (Calibre americano para alambres)

-3000

500

1000

1500

2000

2500

3000

T

J#20

J#14

J#8

K#14

K#8

R,So B

°F

Detector de Radiación

Generalmente satisfactorio

satisfactorio pero no recomendable

Figura 4.3. Carta de selección de termopares.

- Termómetro bimetálico.- Este termómetro es un material compuesto, constituido por dos

o más láminas de diferentes metales fijos entre sí, los cuales a causa de sus diferentes

coeficientes de expansión tienden a cambiar su curvatura cuando están sujetos a cambios de

temperatura.

Con un extremo de un arreglo helicoidal o espiral de laminas fijo, el otro extremo

libre se desvía directamente proporcional a los cambios de temperatura y al cuadrado de la

longitud e inversamente al grosor, a lo largo de la porción lineal de la curva característica

de deflexión. Es decir, si una lámina bimetálica se arrolla o devana en forma de hélice o

espiral y una terminal esta fija, la otra terminal girará siguiendo las condiciones anteriores.

Se puede unir el extremo libre a un indicador o registrador para lecturas y almacenamiento

de datos.

Los materiales de construcción deben ser seleccionados de acuerdo a los siguientes

criterios: coeficiente de expansión, módulo de elasticidad, límite elástico, conductividad

eléctrica, ductilidad, estabilidad metalúrgica y resistencia a cambios de temperatura. Entre

los materiales más comunes tenemos al hierro, bronce, cobre, zinc, tungsteno, estaño,

vidrio, níquel, invar y acero.

- Termistores. Los termistores son básicamente semiconductores que presentan cambios

rápidos y extremadamente grandes en la resistencia eléctrica para cambios relativamente

pequeños en la temperatura.

Entre los materiales semiconductores que se utilizan en la construcción de

termistores está un gran número de óxidos y sus mezclas, incluyendo óxidos de cobalto,

cobre, hierro, magnesio, níquel, estaño, titanio, uranio y zinc. La forma de fabricación

inicia con la preparación de polvos óxidos, los cuales son comprimidos para formar una

pastilla o barra. A esta pastilla se le incrustan los alambres conductores, para

posteriormente tratarla térmicamente (sinterización) formando un cuerpo cerámico denso.

Este conjunto es entonces recubierto con plata en sus caras y después encapsulado en una

resina epóxica, con el fin de conferirle resistencia e integridad en sus aplicaciones

posteriores.

Como se mencionó, la medición de temperatura se efectúa de acuerdo a la

resistencia que ofrece el semiconductor al paso de la corriente eléctrica en relación directa

con la temperatura. Se hace circular una cierta cantidad de corriente eléctrica a través del

sensor, así, cuando se aplica calor al termistor, empieza a aumentar la resistencia del

material, limitándose el paso de la corriente. De esta forma, la diferencia entre el voltaje

continuo y el que proviene del resistor es una medida de la temperatura en el punto de

medición.

- Termoresistores. Utilizan la característica que relaciona la resistencia eléctrica con la

temperatura para medirla. Para metales puros, esta relación podría expresarse por:

R Rt 0= + + + +( ...)1 2 3at bt ct

donde R0 = Resistencia a la temperatura de referencia (ordinariamente 0°C).

Rt = Resistencia a la temperatura t, ohms.

a = Coeficiente de temperatura de resistencia, ohm/ohm.

b, c, ... = Coeficientes calculados sobre la base de dos o mas puntos conocidos de

resistencia - temperatura.

Solo unos pocos metales puros presentan relaciones resistencia-temperatura

convenientes para la fabricación de elementos sensibles termoresistivos. Entre los metales

puros más comunes están: 1) Termómetro de resistencia de platino. Este metal tiene las

características óptimas de servicio para un amplio rango de temperatura. Por sus

propiedades físicas y químicas es el elemento más utilizado en la construcción de

termoresistores industriales, además presenta una respuesta proporcional lineal en el rango

de 0 a 100°C. Las desventajas principales son que aún cuando el platino es un metal noble,

por lo tanto tiene una excelente resistencia a la oxidación, es posible que se contamine con

gases y óxidos metálicos a elevadas temperaturas. El platino es el metal preferido para

termoresistores de alta sensibilidad del tipo encapsulado. 2) Termómetro de resistencia de

níquel. Cubre un rango de -70 a 150°C con resultados prácticos satisfactorios; por arriba

de 300°C su respuesta se hace irregular. 3) Termómetro de resistencia de cobre. El rango

útil para este tipo de metal es de -200 a 150°C, ya que el cobre tiende a oxidarse a altas

temperaturas. En la mayoría de las aplicaciones a temperatura ambiente se prefiere el uso

de termoresistores de cobre debido principalmente a su alto grado de reproducibilidad e

intercambiabilidad, su respuesta lineal con respecto a la temperatura y a su fabricación

relativamente fácil [10].

- Pirómetro de radiación. Este tipo de termómetro no es común en estudios meteorológicos;

sin embargo se considerará por su naturaleza y por sus aplicaciónes en el campo industrial.

El pirómetro de radiación es una aplicación práctica de la ley de Stefan - Boltzmann de la

energía radiante, la cual establece que la intensidad de energía radiante emitida desde la

superficie de un cuerpo se incrementa proporcionalmente a la cuarta potencia de la

temperatura absoluta del cuerpo.

Su funcionamiento es el siguiente: en un principio el pirómetro debe apuntar hacia

un punto del objeto a medir; por medio de un lente se enfoca la energía radiante del cuerpo

sobre una termopila, la cual generará una fem proporcional a la cantidad de energía que cae

sobre ella; así, la fem también será proporcional a la temperatura del punto medido. Las

aplicaciones pueden considerarse dentro de tres grupos, en donde el pirómetro es preferido:

1. Donde se manejan temperaturas por encima del rango de operación de los termopares.

2. Donde la atmósfera que circunda al sensor es perjudicial al material del termopar y/o

produce mediciones erráticas y/o acorta la vida de servicio.

3. Donde, por diversas razones, es preferible y más práctico mantener al medidor de

temperatura fuera de contacto con el material a medir.

IV.1.3 Formas de reportar mediciones de temperatura.

La temperatura considerada en muchos reportes climatológicos es la del aire,

medido a una altura de aproximadamente 1.5 a 2 m. y en condiciones de sombra, dentro de

un recinto propio para el instrumento. Bajo la influencia de la insolación, una sustancia

sólida puede alcanzar una temperatura diferente de la del aire, como resultado de la

absorción de radiación. Para tener una estricta comparación y estandarización, los

meteorólogos usan termómetros expuestos dentro de cubiertas blancas para eliminar, o al

menos reducir considerablemente, el efecto de la radiación. Aunque se usa el término

temperatura a la sombra, debe apreciarse que en el aire libremente circulante de la

atmósfera, ésta es la misma que la temperatura del aire en el sol. En ocasiones de pérdida

radiativa neta (generalmente en la noche) las superficies tenderán a estar a una temperatura

menor que la del aire circundante.

A continuación se enlistarán las mediciones de temperatura más comunes

registradas y reportadas por una estación meteorológica.

Temperatura media diaria. La temperatura del aire en un día específico varía

constantemente debido a muchos factores (presencia de nubes, cambios en el patrón de

vientos, ángulo solar, etc.), por lo que el tener una gran información a lo largo del día

representa un inconveniente cuando se desea comparar ese día con otros. La forma más

práctica es buscar un método de condensar esa información para que represente un valor

particular, llamado temperatura media diaria. La temperatura media diaria es generalmente

calculada como el promedio, o el valor medio entre las temperaturas máxima y mínima de

ese día. Esta técnica no se emplea en estaciones principales, donde se determina la media

considerando las lecturas de temperatura en todo el día (24 horas). Otro método que

emplean diferentes países es el de considerar las temperaturas a intervalos regulares del día

(por ejemplo, a las 7, 13 y 19 horas). Por lo regular este método genera mucha discrepancia

con los anteriores, por lo que debe verificarse para mayor exactitud.

Temperaturas medias mensual y anual. Son los promedios de las temperaturas medias

diarias y medias mensuales respectivamente.

Temperatura máxima diaria. Es el valor de temperatura más alto registrado a lo largo del

día.

Temperatura mínima diaria. Es el valor de temperatura más bajo registrado a lo largo del

día.

Existen otros valores particulares registrados por una estación meteorológica que

pueden ser reportados y que están basados en cálculos aritméticos a partir de los datos

anteriores, tales como temperaturas máximas y mínimas mensuales, temperaturas absolutas

y normales.

IV.2 Humedad.

La humedad es el tercer ingrediente básico, junto con el calor y el movimiento, que

determina el clima sobre la tierra. No solo proporciona el agua para la formación de nubes

y precipitaciones, sino también a través de los cambios de estado; esta íntimamente ligado

con grandes cantidades de energía en la forma de calor latente. Entonces se puede decir que

la función del agua en las condiciones climáticas y ambientales es esencial. Su ausencia o

presencia en la atmósfera determina las características ambientales y de ahí el clima. Por

otro lado, el cambio de estado físico del agua juega un papel fundamental en los procesos

de intercambio de energía. El agua se presenta en diferentes formas en la tierra-atmósfera,

en forma propiamente líquida (lagos, mares), en forma de gas (nubes, vapor) y sólida

(hielo, nieve); por lo que la transición de un estado a otro conlleva a la eliminación o a la

absorción de calor hacia las inmediaciones del sistema. En la tabla 4.2 se muestran los

porcentajes globales que cubren los distintos estados en que se presenta naturalmente el

agua.

El conocimiento del contenido de humedad en una sustancia es de vital importancia.

En la elaboración de papel es una variable que debe ser controlada; el cuidado de obras de

arte y libros requiere el control de humedad del ambiente; el confort personal depende en

gran parte de la humedad presente en el aire. En muchas áreas de investigación, se requiere

conocer la humedad ambiente para garantizar un funcionamiento correcto y seguro del

equipo; y el crecimiento de los vegetales depende del contenido de humedad en el suelo, la

planta y la atmósfera.

La cantidad de evaporación que se efectúa sobre la superficie depende de la

disponibilidad de humedad en la superficie y del gradiente de presión de vapor entre la

superficie y del aire sobre ella.

Ya que siempre hay abundancia de humedad en la superficie de los océanos, en

general hay más evaporación sobre éste que sobre los continentes en latitudes similares. En

contadas áreas de tierra, particularmente aquellas cubiertas por abundantes selvas

tropicales, la evaporación más la transpiración de humedad de las plantas puede exceder la

producción de vapor sobre océanos adyacentes, ya que las hojas de los árboles presentan

más superficie evaporativa al aire que la superficie del mar. Sin embargo, estas áreas son

más excepciones que la regla. Tales áreas selváticas existen en regiones ecuatoriales. En

estas zonas se reunen las condiciones climáticas propicias para que se presente este

fenómeno; grandes cantidades de nubosidad y alta humedad atmosférica, las cuales tienden

a reducir los gradientes de presión de vapor y por lo tanto, la evaporación.

Dentro de las áreas oceánicas, los océanos subtropicales afectados por células de

alta presión subtropical experimentan la mayor evaporación, ya que el aire presente es

generalmente claro y seco. El intenso calentamiento del sol junto con la continua reposición

con aire fresco y seco proveniente de lo alto producen una presión de vapor baja en la

superficie del aire con respecto a la superficie del mar.

Aún así, la mayor cantidad de evaporación en la tierra ocurre a latitudes un poco

mas altas, cerca de la costa este de Norteamérica entre Carolina del Norte y Nueva Jersey.

Una situación similar ocurre cerca de la costa sureste de Japón, pero no tan pronunciada.

Los altos valores anuales es estas áreas se encuentran enteramente bajo condiciones de

invierno.

Tabla 4.2. Formas en que se presenta el agua en el sistema tierra-atmósfera.

% del total de agua Formas de presentación 97 Agua salina de océanos

2.25 Hielo es cascos polares y glaciares 0.75 Aguas subterráneas 0.3 Lagos y embalses 0.06 Humedad en la tierra 0.033 Humedad atmosférica, nubes 0.03 Ríos

IV.2.1 El ciclo hidrológico.

Se conoce como ciclo hidrológico al movimiento periódico del agua, causado por

los complejos procesos de cambio de fase y de transporte que ocurren dentro del sistema

atmósfera - litósfera - hidrósfera (ver Figura 4.4).

Los dos componentes mas importantes del ciclo hidrológico son la precipitación y la

evaporación. La precipitación, o lluvia, puede ser causada por numerosas condiciones, pero

básicamente el requisito es que una gran porción de aire se enfríe por debajo de su punto de

saturación, para que se formen nubes que puedan conducir a la precipitación. Una cantidad

considerable de lluvias se deben usualmente a uno o más de los cuatro mecanismos de

enfriamiento o situaciones que provocan que la porción de aire ascienda a la atmósfera.

1. Topografía. Cuando tierras altas fuerzan al aire a ascender.

2. Convección. Cuando la radiación térmica inferior causa una ascensión.

3. Deslizamiento. Cuando aire tibio corre sobre aire frío (o es subseccionado por

éste).

4. Convergencia. Cuando dos masas similares de aire están en curso de “colisión”.

Los últimos dos mecanismos son muy parecidos, solo que el tercero se refiere a

temperaturas y climas fríos, mientras que el cuarto ocurre en regiones cercanas al ecuador.

Las lluvias intermitentes, donde se suceden cambios rápidos en intensidad y duración con

respecto a la localización, son generalmente provocados por convección, mientras que las

lluvias estables son generadas por otras causas.

CondensaciónCondensación

Evaporación

Precipitación

Evap.mientras

cae

Evap.mientras

caePrecipitación

EvaporaciónTranspiración

Escurrimientos

AguaTierra

Infiltración

PercolaciónAguas subterraneas

Figura 4.4. Esquema del ciclo hidrológico.

Las precipitaciones sólidas (nieve, hielo y granizo) pueden producirse cuando las

temperaturas dentro de la nube y entre la base de ésta y la superficie terrestre están por

debajo del punto de congelación; nótese que las temperaturas en la superficie de la nube

pueden estar sobre ese punto. El granizo puede generarse por otras causas, tales como

corrientes frías en la superficie de la tierra que pueden enfriar las gotas de lluvia hasta

congelarlas, resultando en gotas supercongeladas al tocar la superficie de la tierra.

La presencia de partículas sólidas, como el polvo, en las capas superiores de la

atmósfera son causantes de la formación de granizo.

IV.2.2 Instrumentos comunes.

Existe una gran variedad de marcas de instrumentos y sensores de humedad en el

mercado, pero todos tienen los mismos principios de operación, por lo que no hay mucho

terreno para escoger el tipo de sensor que habrá de utilizarse. A continuación se describirán

brevemente los métodos y principios de operación de estos instrumentos.

- Membranas higroscópicas y cabellos. El principio menos científico pero más simple hace

uso del hecho que algunos materiales orgánicos alteran sus dimensiones con respecto a su

contenido de humedad. El cabello humano, por ejemplo, es utilizado en registradores de

humedad con un sistema de tiempo. El cabello se extiende un 3% desde cero hasta su

contenido máximo de agua. A este tipo de equipos se les conoce como higrómetros.

Algunos instrumentos comerciales utilizan el movimiento producido por cabellos humanos

tratados o fibras de celulosa para operar un transductor de microdesplazamiento, o bien un

transductor inductivo solenoidal, y generar una señal eléctrica. Es de esperarse que tales

instrumentos trabajen dentro de un rango de algunos porcentajes de exactitud en HR, por lo

que se recomienda que se utilicen solo en el rango de 15-90% de HR y a temperaturas de 1

a 40°C. Su operación es susceptible a efectos de desajustes, a respuestas erráticas y

necesitan de calibración constante [16].

- Procedimientos de bulbo seco y bulbo húmedo. Este principio ya fue descrito

anteriormente, (ver “bulbo seco y bulbo húmedo” en la sección de temperatura) y el método

de medición es ampliamente utilizado en estaciones climatológicas con el fin de determinar

una aproximación de la humedad relativa y el punto de rocío. A los instrumentos se les

conoce como psicrómetros y pueden encontrarse en una gran variedad de presentaciones y

configuraciones en el mercado.

- Resistividad. La resistencia entre electrodos conectados a una sustancia humedecida como

el papel o el suelo es una medición del contenido de humedad. La variación de la

resistencia con respecto al contenido de humedad es predominantemente logarítmico, pero

los valores dependen en gran manera de la presencia de contaminantes y sales en solución

que produzcan electrolitos. La utilización de técnicas de medición con corriente alterna

(CA) es mejor, ya que reduce el efecto electrolítico. Los sensores de malla vaporizada (que

son prolongaciones de oro intercaladas sobre un sustrato inerte) son un arreglo en donde

varía la resistividad. Con este principio tenemos el sensor Warren, que consiste en una base

de plástico especial con una malla de plástico conductor sensible a la humedad. Aquí

también la respuesta es logarítmica y existen pequeños coeficientes por efectos de

temperatura e histéresis. El sensor Dunmore esta hecho de dos alambres espirales formando

electrodos en un arreglo cubierto de cloruro de litio.

- Capacitancia. La variación de la capacitancia también se utiliza en la medición de la

humedad. Los sensores más sencillos usan platos separados por el medio de interés para

formar un capacitor y se emplean ajustes diferenciales para reducir errores. Para medir la

humedad del aire se ha fabricado un sensor a partir de una cinta de aluminio anodizado

poroso, con sus caras cubiertas con oro como electrodos. Este arreglo funciona como un

capacitor de óxido de aluminio en el cual la humedad se difunde dentro de los poros.

- Detectores del punto de rocío. La forma mas obvia para detectar la aparición (o

desaparición) de humedad es monitorear ópticamente la reflectancia de una superficie

especulada. Algunos instrumentos hacen precisamente esto. Los equipos mas sencillos

deben operarse manualmente, aunque este método no ha escapado a la automatización. El

método Spanner utiliza dos uniones termopares, una seca y la otra en el ambiente activo. El

voltaje generado es leído por la unidad en seco. Entonces se emplea el efecto Peltier,

enfriándola por un intervalo de tiempo, permitiendo que el agua se condense sobre él.

Entonces es cuando se vuelve a operar el circuito para medición: el voltaje medido se

relaciona con el punto de rocío.

- Hidrólisis. Una delgada película de pentóxido de fósforo, mantenida entre dos electrodos

de metal noble, absorbe la humedad del gas muestreado cuando pasa a través de ella. Un

voltaje en corriente directa que cruza por los electrodos disocia el agua en hidrógeno y

oxígeno. La corriente circulante de electrólisis es una medida del contenido de humedad y

puede cubrir rangos de 0 - 100 hasta 0 - 10,000 ppm, con alrededor de un 5% de exactitud

de la escala completa seleccionada [21].

IV.2.3 Formas de reportar mediciones de humedad.

Existen muchas definiciones de contenido de agua y es necesario tener un

entendimiento básico de éstas para comprender las técnicas empleadas para monitorearla.

La ley de Dalton establece que cada gas en la atmósfera, incluyendo el vapor de

agua, genera una presión. La presión atmosférica total (presión de aire) es la suma de todas

las presiones parciales de los gases componentes. De aquí puede pensarse que todos los

gases pueden licuarse si la temperatura se reduce lo suficiente. Consecuentemente,

podemos ver que si un gas conteniendo vapor de agua es enfriado, se llega al punto donde

el agua comienza a licuarse o condensarse. Esta es la temperatura del punto de rocío, la

cual ocurre donde el sistema gas-vapor esta saturado de agua.

Otras maneras de definir la cantidad de agua son las siguientes:

Presión absoluta. Si se considera que la componente de presión de vapor de agua es

generalmente entre 0 y 4% de la presión total atmosférica, y es expresada en las mismas

unidades en que se mide la presión de aire (milibares, y recientemente kilopascales) debido

a que la presión promedio a nivel del mar es alrededor de 1000 mb, la presión del vapor de

agua (e) o presión absoluta, andará entre 0 y 40 mb.

Humedad absoluta. Es la verdadera cantidad de vapor de agua contenido en la atmósfera.

Es el peso del vapor de agua por unidad de volumen de mezcla aire-vapor. Este valor tiene

una gran dependencia con la presión, por lo que se ve afectado con la altura.

Humedad relativa, HR. Expresa la cantidad de agua presente, comparada con la máxima

que podría haber a la temperatura de interés (la cantidad de vapor de agua presente sólo se

aplicaría para una temperatura dada). Se expresa como un porcentaje y es probablemente la

unidad más comúnmente utilizada fuera de las áreas de control de procesos.

Partes por millón, ppm. Expresan el contenido de agua en virtud del peso del agua o de su

volumen con respecto al peso o volumen total de la muestra. Debido a que estos son valores

adimensionales, se debe tener cuidado en especificarlos como “por peso” o “por volumen”

en los reportes.

Temperatura de bulbo húmedo. Como ya se mencionó en la sección de temperatura, es la

temperatura mas baja a la que puede ser enfriado el aire por medio de la evaporación del

agua. Si el aire esta saturado, no se absorberá más humedad, así el bulbo no podrá enfriarse

más. (Esta es la misma razón por la que los enfriadores evaporativos no proporcionan

mucho enfriamiento en climas húmedos). La temperatura de bulbo húmedo es igual al

punto de rocío, pero siempre es mayor que la temperatura y esta diferencia se incrementa

cuando la humedad relativa decrece.

Relación de mezclado. Es la relación en peso del vapor de agua con respecto al aire seco.

Esta manera de reportar humedad no es muy común encontrarla en reportes

meteorológicos; sin embargo puede efectuarse esta medición fácilmente por medio de un

psicrómetro, para fines de diseño y operación de equipo.

En un reporte meteorológico ordinario, la información sobre humedad atmosférica

regularmente se presenta como humedad relativa, debido principalmente a la facilidad para

obtener su valor, así como a su significancia. Un hecho importante es que la humedad

relativa no es un buen indicador de las condiciones húmedas del aire a menos que se

especifique la temperatura en ese momento, lo cual en la mayoría de los casos no es así.

IV.3 Viento.

El viento, como la temperatura y la humedad, es de interés casi universal. Por

mucho tiempo ha sido un factor crucial en la aviación y la navegación y es en ciertos casos

destructivo, por lo que está siendo tomado en cuenta más frecuentemente y con un mayor

entendimiento durante el diseño de grandes estructuras. Su uso como una fuente de energía

está ocupando renovado interés por la adquisición de datos de vientos favorables.

Ambos, la velocidad y la dirección del viento, son extremadamente variables. Esa

variabilidad en el espacio y el tiempo debe ser entendida y utilizada en algunas

aplicaciones de datos referentes al viento, como la dispersión de contaminantes, el cálculo

y el diseño de equipos solares térmicos y en el balance térmico en edificaciones. Debido a

su variabilidad, una simple medición instantánea no es representativa de un viento medido

en el mismo lugar un poco antes o después.

IV.3.1 Causas de generación del viento.

Existen diversas causas o procesos que son motivo de generación de vientos. Una

definición básica y aceptable de viento sería: “el movimiento del aire sobre la componente

horizontal de la superficie de la tierra.”

Para explicar uno de los procesos de generación, vamos a suponer que la tierra está

en estado estático y recibiendo una cantidad constante de energía solar sobre su superficie.

Bajo estas condiciones, la región ecuatorial recibiría mas calor que las áreas polares,

provocándose entonces un gradiente de presión entre el aire frío de las regiones polares y el

aire ligero y tibio del ecuador. La circulación resultante entonces sería teóricamente una

célula vertical sencilla entre el ecuador y el polo. Entonces se induciría a un movimiento de

los polos al ecuador sobre la superficie de la tierra y del ecuador a los polos por encima

(ver Figura 4.5).

La suposición anterior explica la generación convectiva del viento. Pero la tierra no

está estática en el espacio, sino que está rotando sobre un eje, y por lo tanto las corrientes

de viento que se mueven de norte a sur fluyen sobre un plano rotatorio de referencia desde

el cual se juzga dicho movimiento. Un observador en el espacio percibirá las corrientes de

aire curvándose con respecto a su referencia aunque para un observador sobre la superficie

de la tierra parezcan moverse en línea recta. Ya que la tierra se mueve de oeste a este, su

rotación, vista del polo norte, es en sentido contrario a las manecillas del reloj. Por

consiguiente, en el hemisferio norte esta aparente deflexion de un objeto moviéndose sobre

la superficie de la tierra parecerá ser en el sentido de las manecillas del reloj, o hacia la

derecha. Asímismo, si se observa el desplazamiento en el polo sur, se verá el fenómeno de

las corrientes trasladándose hacia la izquierda sobre la superficie terrestre. Esta aparente

“fuerza” se conoce como fuerza de Coriolis en honor de G.G. Coriolis (1792-1843), un

matemático francés que fue el primero en tratar cuantitativamente el fenómeno.

Ecuador

Polo norte

Polo sur

Figura 4.5. Corrientes hemisféricas convectivas sobre una tierra estacionaria y homogenea.

Ya que la fuerza de Coriolis es un movimiento relativo entre un objeto que se

mueve y la superficie rotatoria de la tierra, la fuerza de Coriolis se incrementa con la

velocidad del objeto móvil. No importa que dirección toma el objeto, la fuerza de Coriolis

es directamente proporcional al movimiento, a la derecha en el hemisferio norte y a la

izquierda en el hemisferio sur (Figura 4.6).

Entonces, tenemos dos fuerzas básicas actuando sobre el aire, el gradiente de

presión (la presión disminuye de un lugar a otro) y la fuerza de Coriolis. Tan pronto como

estas dos fuerzas se desequilibran una con respecto a la otra, el aire cambiará su velocidad

y/o dirección, entrando en balance una fuerza con otra.

Las consideraciones anteriores suponen un flujo aéreo sin fricción, y esto es

esencialmente cierto por encima de las influencias de la superficie de la tierra, alrededor de

los 300 a 600 metros de altura. Pero en la superficie terrestre, la fricción entre el viento y la

superficie por debajo se convierte en una fuerza significante que debe considerarse. Un

equilibrio entre la presión, la fuerza de Coriolis y la fricción resulta en una velocidad y

dirección global constante del viento, cruzando las isobaras en ángulo algo agudo,

generalmente entre 15 y 30° sobre los continentes y algo menor sobre los océanos. Existen

además otras fuerzas que afectan localmente la velocidad y dirección del viento, tales como

el momento del movimiento, la resonancia y el flujo celular entre otras.

Tierra

Polo norte

Figura 4.6 Efecto coriolis sobre las corrientes convectivas terrestres

IV.3.2 Instrumentos comunes.

Debido a que en el estudio climatológico son dos las variables de principal

importancia, la velocidad y la dirección de viento, nos enfocaremos a la descripción de los

instrumentos para estas dos variables, su principio físico y su configuración.

- Anemómetro. Es un instrumento que permite conocer la velocidad del viento y además

totalizar la distancia recorrida por el viento en un período de tiempo. Existen diferentes

tipos y configuraciones para anemómetros, dede los de lectura directa, que utilizan hélices

o copas, hasta los que emplean métodos indirectos, como los anemómetros de tubo Venturi

o los anemómetros diferenciales. Quizás el más común sea el de copas, que consiste en un

eje rotor vertical con copas fijas en la parte superior. En la parte inferior el eje puede estar

acoplado a un sistema mecánico contador de giros, o totalizador, el cual servirá para

determinar la distancia que recorre el viento en cierto tiempo. El eje del anemómetro puede

estar conectado también a un sistema mecánico-magnético que genere una corriente pulsátil

que pueda ser contada, con el fin de determinar la velocidad instantánea del viento.

- Lámina Beaufort. (Figura 4.7) Este equipo sirve para determinar la velocidad instantánea

del viento. Consiste en una lámina vertical montada sobre un soporte que permita el

movimiento de la lámina en un solo eje. Detrás de la lámina hay una escala graduada en

velocidad y calibrada al tipo de lámina del instrumento. Cuando el viento golpea una cara

de la lámina, esta gira sobre las bisagras del soporte, elevándose por un período corto de

tiempo, permitiendo comparar su elevación con la escala graduada.

Soporte

Bisagras

Escala Beaufort

Lámina

Figura4.7. Lámina y escala Beaufort.

En la tabla 4.3 se muestra la carta de observación de Beaufort. Este fue uno de los

intentos serios de medir la magnitud de la velocidad del viento. Como se observa, en la

tabla se encuentran dos escalas, una para viento continental y otra para viento marítimo,

cada una con sus respectivas unidades y manifestaciones naturales.

Debido a que el aire debe incidir perpendicularmente sobre la cara de la lámina,

generalmente este instrumento se encuentra montado en el mismo eje que soporta a algún

instrumento posicionador (p.e. una veleta). En un principio la lámina Beaufort servía como

indicador visual de la velocidad instantánea del viento, pero su aplicación está cayendo en

desuso, principalmente por la evidente inexactitud de las lecturas que supone la

determinación visual de la velocidad del viento.

Tabla4.3. Escala de Beaufort.

Gra- Velocidad en Caracteres en Caracteres en el mardo Nombres Nudos km/h la tierra Altura de olas

(metros) Nombres

0 Calma <1 <1 El humo sube vertical 0.0 Calma 1 Ventolina 1-3 1-5 El humo se inclina 0.0-0.1 Rizada 2 Flojito 4-6 6-11 Se siente en el rostro,

mueve las hojas de los arboles

0.1-0.5 Marejadilla

3 Flojo 7-10 12-19 Agita hojas de los arboles y extiende banderas ligeras

0.5-1.0 Marejada

4 Bonancible 11-16 20-28 Se mueven las ramitas y se levantan polvo y papeles

ligeros.

1.0-1.25 Marejada

5 Fresquito 17-21 29-38 Mueve los arbolitos y forma ondas en los

estanques

1.25-2.5 Marejada fuerte

6 Fresco 22-27 39-49 Mueve ramas grandes y hace silbar los hilos

telegráficos

2.5-4.0 Mar gruesa

7 Frescachón 28-33 50-61 Se mueven todos los arboles y no se puede andar

contra el viento

4.0-5.5 Mar muy gruesa

8 Duro 34-40 62-74 Desgaja ramas delgadas; impide andar

5.5-7.5 Mar muy gruesa

9 Muy duro 41-47 75-78 Destrozos en edificios; caen tejas y chimeneas

7.5-10.0 Albolada

10 Temporal 48-55 89-102 Arranca arboles de cuajo 10.0-12.5 Montañosa 11 Borrasca 56-63 103-117 Destrozos graves y muy

generalizados 12.5-14.0 Montañosa

12 Huracán >64 >118 Verdadera catástrofe >14.0 De enorme peligro

- Veleta. Este es un instrumento que sirve para determinar la “dirección” del viento. Es el

instrumento de medición meteorológica mas conocido y antiguo. En un tiempo se utilizaron

diferentes tipos de materiales, desde simples banderillas sujetas a una vara, hasta

elaboradas abras de arte hechas por los chinos, que simulaban peces y que atrapaban las

corrientes de aire por su boca. El modelo de veleta más común consiste en un apuntador en

flecha montado en un vástago vertical giratorio. El extremo posterior del apuntador tiene

una placa vertical para alinear el apuntador. Existen diversos tipos de arreglos mecánicos y

eléctricos acoplados a una veleta que permiten conocer la dirección exacta en la que sopla

el viento, eliminando de esta forma el error producido por la lectura visual.

IV.3.3 Formas de reportar mediciones de velocidad y dirección del viento.

Las mediciones de dirección del viento, con respecto al tiempo, describen la

dirección del flujo de aire del punto de medición y, con el conocimiento del dominio

espacial y de las características de la dirección del flujo, dichas mediciones son utilizadas

para determinar el transporte de efluentes atmosféricos. La dirección del viento puede ser

medida por veletas dobles en los planos vertical y horizontal con respecto a la superficie de

la tierra. Las fluctuaciones indican la turbulencia atmosférica y de ahí las características de

la difusión. De esta forma, las mediciones de la dirección del viento pueden ser utilizadas

para definir, desde el lugar de la observación, ya sea el flujo medio de aire (transporte) o la

intensidad de turbulencia (difusión), dependiendo del método de muestreo de datos y de su

reducción. Los datos de dirección de viento pueden ser reducidos por períodos específicos

de tiempo por medio de promediación para definir el flujo medio de aire o para calcular

estadísticas de fluctuación.

Las mediciones de velocidad de viento pueden ser usadas para determinar la

dilución inicial del efluente, la velocidad a la que viaja y, con el conocimiento de la

estructura vertical de la velocidad de flujo medio del aire en las capas locales de la

atmósfera, la velocidad de transferencia vertical de los efluentes.

La tabla 4.4 muestra los límites de exactitud y resolución de datos registrados por

estaciones climatológicas según la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y el Centro

Nacional de Investigaciones (NRC). Estas instituciones americanas son las encargadas de

regular y estandarizar las mediciones realizadas en EU, y son muchos los países que toman

dichas disposiciones para estandarizar sus propias mediciones.

La dirección generalmente se expresa en grados a partir del norte geográfico en el

sentido de las manecillas del reloj (N=0°, E=90°, S=180°, O=270°), o bien, en rumbos

geográficos dados por una rosa de los vientos (N, S, E, O y sus intermedios). La velocidad

de viento puede reportarse de diferentes unidades, pero siempre en términos de velocidad.

Las más comunes son metros/segundo, kilómetros/hora, nudos/hora, pies/segundo y

millas/hora.

Tabla 4.4. Exactitud y resolución de datos registrados.

Variable Exactitud de medición Resolución EPA NRC de medición

Dirección del viento (°) 3 (para promedios ≥ 10 min.) 5 (para valores instantáneos) 1 Velocidad de viento, U,

(m/s) 0.25 (U < 5), 5%

2.5 (U > 5) 0.2 0.1