Libro hidrología

• 1. Un iv er sida d Naci ona l de C u yo F a c u lt a d d e In gen ier a I ng en ie r a C iv ilGua de Estudio para las Ctedras:Ing. Esp. Rubn VILLODAS

2. TEMA 1.a: 1.a.1. 1.a.2. 1.a.3. 1.a.4.LA HIDROLOGA.................................................................................................................................................. 1-1 DEFINICION ......................................................................................................................................................... 1-1 IMPORTANICA Y AMBITO DE APLICACIN ................................................................................................... 1-2 OFERTA Y DISPONIBILIDAD HDRICA............................................................................................................ 1-3 POTENCIAL HDRICO ......................................................................................................................................... 1-4TEMA 1.b:LA INGENIERA HIDROLGICA......................................................................................................................... 1-4TEMA 1.c: 1.c.1. 1.c.2. 1.c.3.EL CICLO HIDROLGICO ................................................................................................................................... 1-7 ESTADOS, LOCALIZACIN Y MOVIMIENTOS DEL AGUA............................................................................ 1-7 LA ACCIN ANTRPICA ..................................................................................................................................1-10 CANTIDADES DE AGUA EN EL MUNDO.......................................................................................................1-10TEMA 1.d:DESARROLLO HISTRICO DE LA HIDROLOGA .........................................................................................1-10Figura 1.El Ciclo Hidrolgico.................................................................................................................................................... 1-8Figura 2.Representacin Esquemtica del Ciclo Hidrolgico.............................................................................................. 1-8 3. Unidad 11-1El agua es la sustancia mas abundante en la tierra, el principal constituyente de todos los seres vivos y una fuerza importante que constantemente esta cambiando la superficie terrestre. Es tambin un factor clave en la climatizacin de nuestro planeta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilizacin. La hidrologa, que cubre todas las fases del agua en la tierra (ciclo hidrolgico), es una materia de gran importancia para el ser humano y su ambiente. Aplicaciones prcticas de la hidrologa se encuentran en labores tales como: X diseo y operacin de obras y/o estructuras hidrulicas (azudes, diques, presas, embalses, desages, etc.) X diseo de obras viales (alcantarillas, puentes, etc.) X abastecimiento de agua potable, tratamiento y evacuacin de aguas residuales X irrigacin y drenaje de suelos X generacin hidroelctrica X estudios de disponibilidad hdrica y de sequas (escurrimientos nivales, pluviales, etc.) X manejo integral de crecientes (aluvionales, urbanas, fluviales, etc.) X navegacin X erosin y control de sedimentos X estudios de impacto ambiental (control y disminucin de la contaminacin hdrica, salinidad, metales pesados, uso consuntivo, minera, etc.) X uso recreacional del agua X proteccin de la vida terrestre y acutica X sistemas de alerta temprana de inundaciones y catstrofes La hidrologa puede definirse como la disciplina que trata de las propiedades, existencia, distribucin y movimiento del agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, sus conocimientos se aplican al uso y control de los recursos hdricos en los continentes del planeta Las aguas ocenicas son del dominio de la oceanografa y de las ciencias marinas. Oscar Edward Meinzer (1876-1948), a quien se conoce como el padre de la geohidrologa moderna, defini a la hidrologa como la ciencia interesada en la existencia del agua en la tierra, sus reacciones fsicas y qumicas con el resto de sta y su relacin con la vida sobre la misma. Englobando los conceptos anteriores, el Federal Council of Science and Technology for Scientific Hydrology de los Estados Unidos, expres:El agua es un recurso natural renovable, siendo el elemento natural mas utilizado. El estudio aplicado de los recursos hdricos se centra en la determinacin de las disponibilidades futuras de agua (oferta de agua) que se tendrn, en una regin determinada y en un perodo dado de tiempo (mbitos espacial y temporal), para un aprovechamiento de beneficio social, desde los puntos de vista de su Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 4. Unidad 11-2pronstico, obtencin y utilizacin, atendiendo a los aspectos hidrolgicos y ecolgicos involucrados, como as tambin a los condicionantes de tipo tcnico/ingenieril, legales y econmicos que limiten su uso.El agua desarrolla funciones bsicas en casi todos los mbitos de la vida, ya sea como alimento, parte constituyente de los organismos, elemento esencial en la fotosntesis de los vegetales, medio de transporte, vehculo de energa, regulador de la energa en el balance trmico de la tierra y elemento modelador del paisaje. A los fines de prever una disponibilidad estable de agua a la poblacin, industria y actividades agropecuarias, que resulte suficiente para satisfacer sus necesidades, por una parte, y brinde proteccin frente a los excesos, por otra, las disciplinas que se refieren al estudio del agua deben poder contestar, entre otras, las siguientes preguntas: 1) Cunta agua ser requerida? La pregunta fundamental de la Planificacin respecto a la evolucin de las demandas futuras de agua para la poblacin, industria, agricultura, ganadera, transporte, generacin de energa, esparcimiento y otros usos, en los prximos aos y en las prximas dcadas, es de difcil respuesta, en virtud de que a los aspectos especficamente fsicos que gobiernan la presencia y la circulacin del agua en la superficie terrestre, es necesario aadir consideraciones de tipo social y ecolgico, que deben ser tenidas en cuenta. 2) De cunta agua se dispondr? Dado que la oferta de agua presenta una marcada variacin en el tiempo (sucesin de perodos hmedos y secos, por una parte, y de escurrimientos altos y bajos con extremos tambin muy variables, por otra) y en el espacio (zonas hmedas y zonas ridas), resultan necesarios profundos y variados anlisis de tipo hidrolgico, para cuantificar esta variabilidad de la oferta en una regin determinada, tanto en lo concerniente a las aguas superficiales como a las subterrneas. En tales anlisis deben determinarse no slo los valores medios, sino tambin los extremos. Mientras que las magnitudes de los caudales de crecida constituyen la base para el diseo de obras de atenuacin y proteccin, los valores medios y los parciales acumulados en largos perodos de tiempo, se constituyen en los parmetros fundamentales para conocer las disponibilidades de agua y estudiar su regulacin. Teniendo en cuenta que los escurrimientos futuros de agua no pueden conocerse con seguridad, el empleo de la Teora de Probabilidades juega un rol muy importante en la hidrologa. 3) En qu estado se presentar el agua? El estado natural de los recursos hdricos constituye otro aspecto de fundamental consideracin en los estudios que hacen a su aprovechamiento. Este estado natural se ve influenciado en gran medida por las descargas en los cauces de desechos y residuos producto de la actividad humana, que incorporan a las aguas tanto sustancias orgnicas como inorgnicas, como as tambin por la carga trmica, producto del vuelco de aguas de distinta temperatura. El estado futuro previsible en que se encontrar el agua debe ser evaluado tomando en consideracin las urbanizaciones (siempre crecientes), la proyeccin de la industrializacin de la reas de influencia y los aportes de residuos qumicos provenientes de las labores agrcolas. 4) Cmo pueden usarse de la mejor manera los recursos hdricos en beneficio de la sociedad? A fin de adecuar a las demandas una oferta de agua marcadamente variable tanto en el espacio y en el tiempo como en su estado de contaminacin y adems, por lo general, insuficiente, y paralelamente garantizar su uso para los diversos fines a que se la destina, resulta necesario contar con numerosas instalaciones y obras de ingeniera que hagan posible tal uso, complementando con las medidas operativas que permitan un manejo eficiente de tales instalaciones. Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 5. Unidad 11-3Resulta importante en este ltimo aspecto la realizacin de balances hdricos y el pronstico de los procesos hidrolgicos. 5) Qu medida deben adoptarse para la proteccin de los recursos hdricos? Los recursos hdricos, tanto superficiales como subterrneos, deben ser permanente y estrictamente vigilados a los efectos de protegerlos de su degradacin, lo que requiere un amplio espectro de medidas de orden jurdico, econmico, tcnico y pedaggico. 6) Quin puede utilizar el agua? El derecho al uso del agua debe ser cuidadosamente definido y respetado, sobre todo en aquellos mbitos en que el recurso es escaso o en pocas de reduccin de los aportes, quedando este aspecto a cargo de las Legislaciones de Aguas vigentes en cada regin. La hidrologa presta una notable y decisiva contribucin en la respuesta a las preguntas formuladas, en especial en lo atinente al estudio de los recursos tiles disponibles, al anlisis de los procesos hidrolgicos involucrados y a las mediciones pertinentes, con sus correspondientes registros y evaluacin de datos. Los recursos hdricos de una regin determinada estn constituidos por las disponibilidades y los potenciales naturales de sus aguas superficiales y subterrneas.Como se considera el agua dulce que, en el rea considerada y en un intervalo de tiempo definido, aparece en forma de agua superficial y subterrnea como componente del ciclo hidrolgico de la atmsfera terrestre. Desde un punto de vista cientfico cabe distinguir, en relacin con la cantidad de agua que brinda la naturaleza en un lugar dado, entre: XOferta potencial de agua.... definida por la deferencia entre los valores medios (correspondientes a largos perodos de tiempo) de la precipitacin y la evaporacinXOferta efectiva de agua ...... que corresponde a la diferencia entre la oferta potencial y los volmenes de agua que escurren rpidamente durante la crecidas (o eventualmente exceden las capacidades y condiciones de almacenamiento de las cuencas subterrneas).XOferta regulada de agua..... referida al agua disponible tras la materializacin de obras y/o la adopcin de medidas que propendan a lograr la regulacin de los volmenes naturalmente aportados.La posibilidad de utilizacin del agua existente, para una finalidad determinada, resulta de consideraciones ponderadas de tipo hidrolgico, ecolgico, tcnico y econmico. As deben cuantificarse: XDisponibilidad hidrolgica..... que se determina mediante anlisis estocsticos de espacio-tiempo aplicados al ciclo hidrolgico (incluyendo las prdidas derivadas de la utilizacin del agua), considerando la ecuacin del balance hdrico para el mbito dado, en un lapso definido de tiempo. En forma simplificada se la puede consignar como un volumen total o caudal medio del que puede disponerse, con un determinado rango de seguridad y en un intervalo de tiempo dado (por ejemplo, caudal promedio en m3/s, que con una probabilidad del 80%, pueden aportar los recursos hdricos de la regin en 30 das). Cabe observar que esta cantidad vara segn la ubicacin de dicho perodo en el ao calendario y segn el grado de probabilidad establecido.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 6. Unidad 11-4XDisponibilidad ecolgica ........ queda determinada por la calidad del agua y por el balance entre los efectos que para el ecosistema conlleva la extraccin de agua que se efecta y los beneficios que se derivan de su utilizacin.XDisponibilidad tcnica ........... resulta de los trabajos y obras de ingeniera requeridos para la captacin, conduccin y acondicionamiento de las aguas, en ocasiones limitados o condicionados en cuanto a su posibilidad de construccin por razones topogrficas, geotcnicas, de materiales de construccin disponibles, etc. Estas situaciones pueden variar a medida que la ingeniera va desarrollando nuevas tecnologas para superarlas.XDisponibilidad econmica ..... queda caracterizada por la relacin existente entre las inversiones totales que deben efectuarse para la materializacin de un aprovechamiento y los beneficios que del mismo se esperan obtener.Del total de agua que constituye la oferta, la cantidad utilizable no es una fraccin cuyo valor sea invariable, sino que puede irse modificando a medida que lo hacen los aspectos hidrolgicos, ecolgicos, econmicos y tcnicos involucrados. As un emprendimiento que en determinado momento no resulta factible o conveniente puede serlo varios aos despus, o viceversa, si en su momento no se tom la decisin de ejecutarlo.Los , por su parte, se refieren a las caractersticas propias inherentes a la presencia del recurso, que la naturaleza ofrece como servicios sin costo (la mayora beneficiosos, si bien en ocasiones perjudiciales), y para cuya explotacin se hace necesario, por lo general, la realizacin de las obra hidrulicas y de infraestructura necesarias. A los potenciales naturales presente en los recursos hdricos corresponden: XPotencial de autodepuracin........ que se produce por medio de reacciones fsico-quimicas y biolgicasXPotencial de sostn biolgico ....... por el cual las masas de agua sirven de sustento a diversas formas de vida animal y vegetalXPotencial ecolgico......................... de las masas de agua como parte integrante de los ecosistemasXPotencial de transporte ................ consecuencia de las propiedades fsicas del agua relativas a la flotacin de los cuerposXPotencial energtico ...................... que permite la transformacin de energa potencial en cintica y, en funcin de caudales y desniveles, la generacin de energa elctricaXPotencial recreativo ....................... para el ser humanoXPotencial de las crecidas............... generalmente de consecuencias perjudiciales para las reas inundablesDentro de la amplitud de los conceptos analizados en el apartado anterior, la se refiere a todos aquellos aspectos que ataen al diseo, dimensionado y operacin de proyectos y obras de ingeniera destinados al uso y control del agua. Los lmites entre la hidrologa y otras ciencias de la tierra, tales como la meteorologa, climatologa oceanografa, geologa, etc., son confusos, y no tiene objeto prctico el intentar definirlos rgidamente. De la misma forma, la distincin entre la ingeniera hidrolgica y otras ramas de la hidrologa aplicada es igualmente vaga, habiendo aportado muchos de estos ltimos conceptos bsicos que ahora se hallan definitivamente incorporados a aquella. La hidrologa es utilizada en ingeniera principalmente en relacin con el diseo y funcionamiento de estructuras y obras hidrulicas. Su objeto es el de dar respuesta adecuada al ingeniero cuando se encuentra Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 7. Unidad 11-5ante la problemtica de contar con los datos bsicos que le permitan dimensionar adecuadamente tanto las obras en su conjunto como sus diversos componentes. Las siguientes preguntas, son preguntas tpicas que se espera deben ser respondidas por, o con ayuda de, un hidrlogo: Qu caudales mximos pueden esperarse en el vertedero de una presa, en un colector de evacuacin de crecidas o en la alcantarilla de una carretera? Qu capacidad se requiere dar a un embalse para asegurar un suministro adecuado de agua para irrigacin y otros usos, teniendo en cuenta las caractersticas propias del rgimen hdrico del cauce, incluyendo sus perodos de sequas? Qu efecto producen los embalses, las defensas de mrgenes y otras obras de atenuacin sobre las crecidas que se originan en os ros donde las mismas se ubican? De los conceptos anteriores se inducen las dificultades que se presentan al pretender dar respuesta adecuada a interrogantes como los planteados, en lo cual sern determinantes la notoria heterogeneidad que presenta la distribucin de los recursos hdricos sobre la superficie terrestre, por una parte, y la variabilidad de los aportes en el tiempo que se observa en un mismo lugar, por otra. En virtud de ello, la hidrologa debe versar sobre distintos tpicos, los que en su forma ms amplia pueden abarcar: la recoleccin de datos los mtodos de anlisis de los mismos Disponer de datos bsicos adecuados es esencial en todas las ciencias y la hidrologa no constituye una excepcin. De hecho, las caractersticas complejas de los procesos naturales que tienen relacin con los fenmenos hdricos hacen difcil el tratamiento de muchos de los procesos hidrolgicos mediante un razonamiento deductivo riguroso. No siempre es posible partir de una ley bsica y determinar, con base en la misma, el resultado hidrolgico que se requiere. En su lugar, es necesario partir de un conjunto de hechos observados, analizarlos, y con este anlisis establecer las normas sistemticas que gobiernan tales hechos. As, el hidrlogo se encuentra en una difcil posicin cuando no cuenta con los datos histricos adecuados para el rea particular del problema. Resulta fundamental, al respecto, conocer la forma en que estos datos son recolectados y publicados, las limitaciones de precisin que ellos puedan tener y los mtodos propios para su interpretacin y ajuste. Los problemas tpicos de hidrologa implican clculos de valores extremos que no se hallan presentes en una muestra de datos de corta duracin, caractersticas hidrolgicas en lugares en donde no se ha llevado a cabo recoleccin de informacin (lugares que son mucho ms numerosos que aquellos de donde se dispones de datos), o clculos de la accin humana sobre las caractersticas hidrolgicas de un rea. Generalmente cada problema hidrolgico es nico, en cuanto trata con un conjunto diferente de condiciones fsicas dentro de una cuenca hidrogrfica especfica. Por lo tanto, las condiciones cuantitativas de un anlisis no son siempre transferibles a otros problemas. Sin embargo, la solucin general de la mayora de los problemas puede desarrollarse a partir de la aplicacin de unos pocos conceptos bsicos relativamente tipificados. Los conocimientos de un ingeniero civil deben incluir estos conceptos y la forma en como deben aplicarse para resolver las fases especificas de un problema hidrolgico determinado. Merece destacarse sobre el particular que la hidrologa constituye una rama que difiere notoriamente de otras materias de la ingeniera. De acuerdo a lo expuesto, los fenmenos naturales con los cuales debe tratar la hidrologa, no se prestan a los anlisis rigurosos de la mecnica. Por esta razn, existe una mayor variedad de mtodos, una mayor amplitud para la aplicacin de criterios personales y una aparente falta de precisin en la determinacin de los parmetros requeridos.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 8. Unidad 11-6En realidad, la precisin de las soluciones hidrolgicas no se halla tan alejada, como aparenta, de otros tipos de clculo de la ingeniera, en los que la incertidumbre se oculta generalmente con el uso de coeficientes de seguridad, con procedimientos rgidamente estandarizados y con suposiciones ms o menos aproximativas referentes a las propiedades de los materiales, introducidas, las mas de las veces, solo en pos de lograr soluciones que puedan ser desarrolladas con procedimientos matemticos de resolucin relativamente sencilla y generalizada. Resulta fundamental tener en cuenta al respecto que toas las obras hidrulicas deben ser dimensionadas en base a una planificacin futura, no existiendo en consecuencia para el proyectista seguridad en cuanto a las condiciones a que quedarn sujetas las obras. El calculista de estructuras determina las cargas impuestas a las mismas, pero no cuenta con la seguridad de que tales cargas no sern excedidas, por ejemplo, o puede conocerse con certeza qu sobrecargas reales por viento o sismo podrn ejercerse sobre la estructura durante todo el tiempo que la misma se halle en servicio. Para tomar en consideracin estas incertidumbres, efectuando consideraciones razonables, generalmente contenidas en los Cdigos respectivos vigentes en las zonas en cuestin, utilizando coeficientes de seguridad adecuados. El ingeniero hidrulico, por el contrario, est mucho menos seguro de los escurrimientos que afectarn a su obra. Las incertidumbres hidrolgicas no son de manera alguna las nicas que presenta el diseo hidrulico, porque las demandas futuras de agua, los beneficios y los costos, son tambin todos inciertos en determinado grado. Si embargo, un error serio en las estimaciones de los parmetros hidrolgicos previstos o esperados, puede tener efectos devastadores sobre la economa del proyecto en su totalidad, o lo que es an peor por sus consecuencias, sobre la estabilidad misma de las obras que lo componen. Dado que la secuencia exacta de los escurrimientos fluviales para los aos futuros no puede predecirse, la ingeniera hidrolgica debe plantear, y dar alguna respuesta, acerca de las variaciones probables de dichos escurrimientos y sus valores extremos, de modo tal que el diseo y del dimensionado de las obras, y sus partes componentes, pueda efectuarse basndose en un riesgo calculado. El anlisis de los mtodos para estimar la probabilidad de los eventos hidrolgicos, y la utilizacin de estas probabilidades en los clculos hidrulicos, constituye la finalidad primordial de la ingeniera hidrolgica. A los fines de una mejor compresin de su importancia dentro de la ingeniera de las obras hidrulicas, un listado tentativo de los datos y estudios ms usuales que, para el correcto diseo de aquellas, debe aportar la ingeniera hidrolgica en particular y la hidrologa en general, puede incluir, referido a las aguas superficiales, algunos de las siguientes: Estudio de los aportes naturales del cauce hdrico considerado, tanto en lo que hace a valores medios y extremos, como a su distribucin temporal. Volumen total de agua aportada por una fuente (ro, arroyo, etc.) en un perodo determinado de tiempo, a los efectos de compararlas con las demandas que presenta el aprovechamiento analizado. Caudal pico de la crecida mxima probable, para diversos tiempos de recurrencia, que puede producirse en el cauce principal considerado, atendiendo segn corresponda, a sus posibles orgenes (nival, pluvial, etc.) Para toda la duracin de la avenida, la distribucin de los caudales en funcin del tiempo y el volumen total de agua aportada por la misma. Intervalo de repeticin de las crecidas. Avance de las crecidas por los cauces principales. Caractersticas e intervalo de repeticin de las sequas.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 9. Unidad 11-7Estudio de la capacidades, ms convenientes, que deben tener los embalses y las obras de conduccin, adecuados tanto a las disponibilidades del recurso como a los insumos previstos, dentro de rangos econmicamente factibles. Estudio de las caractersticas de los fenmenos de erosin, sedimentacin e infiltracin. Calidad de las aguas en general, y su salinidad, en particular. Delimitacin de lnea de ribera y localizacin de zonas inundables. Estudio del riesgo hdrico de mrgenes y ordenamiento territorial asociado. Rotura de presas. Apoyo al estudio de los aspectos ecolgicos y econmicos involucrados. Medicin y seguimiento de procesos de fusin nival y de glaciares. En muchos casos los estudios inherentes a un proyecto deben incluir los del agua subterrnea, que en obras aisladas pueden limitarse a determinar el efecto de aquella en los mtodos constructivos y disposiciones de proyecto a adoptar, mientras que en estudios integrales, corresponde que sean llevados a cabo con amplitud, dada la interrelacin y complementacin que debe existir entre las aguas superficiales y profundas, para la atencin ms racional y econmica de las demandas de agua con fines de riego o de abastecimientos diversos (agua potable, industriales, etc.). En estos casos los estudios debern abarcar, total o parcialmente: Estudio integral de las cuencas subterrneas. Calidad de las aguas. Estimacin del volumen de agua subterrnea disponible en condiciones normales de explotacin. Caractersticas del escurrimiento subterrneo. Cantidad, ubicacin y caractersticas de los acuferos explotables, efectuando, de corresponder, la zonificacin necesaria. Alimentacin y recarga de acuferos. Relaciones entre las aguas superficiales y subterrneas. Relevamiento de las perforaciones existentes en el rea bajo estudio. Para cada perforacin, de ser posible, deben recopilarse los siguientes datos: identificacin, nombre del propietario, ao de construccin, dimetro (o dimetros), tipo de bomba instalada, tipo de motor, potencia instalada, caudal obtenido y croquis de ubicacin, que permita luego volcar en un mapa regional la totalidad de las perforaciones detectadas.Las Figura 1y Figura 2 presentan una simplificacin de los procesos del sistema hidrolgico general.En la tierra, el agua existe en un espacio llamado Hidrosfera, que se extiende aproximadamente comprendiendo la franja de los 15.000 metros inferiores de la atmsfera y los 1.000 metros superiores de la litosfera o corteza terrestre. En tal mbito, aquella se encuentra en los tres estados fsicos: slido, lquido y gaseoso. El segundo estado es el que presenta mayor inters para la hidrologa, ya que en esa forma est en la lluvia, en los ros y lagos, en las aguas subterrneas de la zona saturada y buena parte de la zona no saturada, etc. De hecho, tanto en el lenguaje corriente como en el cientfico, la palabra agua, si no se indica otra cosa, se refiere al agua en estado lquido. En el estado slido se presenta el agua en la naturaleza en forma de nieve, hielo y granizo. Por ltimo, el vapor de agua es bastante abundante en las capas bajas de la atmsfera y en las capas ms superficiales de la corteza terrestre. El agua circula en la hidrosfera a travs de un laberinto de caminos, que conforman el , el que constituye el foco central de la hidrologa. Este ciclo no tiene principio ni fin, y sus diversos procesos ocurren Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 10. Unidad 11-8en forma continua. El concepto de ciclo hidrolgico lleva implcita el movimiento o transferencia de las masas de agua referidas en el apartado anterior, de un sitio a otro y de un estado a otro.El movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol, que proporciona la energa para elevar el agua del suelo, al evaporarla; la segunda, la gravedad, que hace que el agua condensada precipite y que una vez sobre la superficie, o bajo ella, discurra hacia las zonas bajas. Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 11. Unidad 11-9Se puede suponer que el ciclo se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmsfera (proveniente a su vez de la evaporacin desde los ocanos y la superficie terrestre), se condensa y da origen a que inciden nuevamente sobre tales superficies. No toda la precipitacin alcanza la superficie del terreno, ya que una parte se vuelve a evaporar durante su cada y otra es retenida ( ) por la vegetacin o por las superficies de edificios, carreteras, etc., y devuelta a la atmsfera al poco tiempo, en forma de vapor. Del agua que alcanza la superficie del suelo, una parte queda retenida en charcas o en las irregularidades del ), y en buena parte retorna pronto a la atmsfera en forma de vapor. terreno ( Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeos surcos, que luego se renen en arroyos y ms tarde desembocan en los ros ( ), agua que luego se dirigir a lagos o al mar, de donde ser evaporada o bien se infiltrar en el terreno. Por ltimo existe una tercera fraccin de la precipitacin que penetra bajo la superficie del terreno ) a travs de los agujeros o canalculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio ( poroso. Una buena parte del agua infiltrada no desciende hasta la zona saturada del subsuelo o de , sino que es retenida en la zona no saturada o del suelo, de donde retorna a la atmsfera por o por la de las plantas. En la prctica no es fcil separar ambos fenmenos, por lo que se los suele considerar en forma conjunta, con el trmino de . El movimiento del agua a travs del terreno se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accin gravitatoria. En el movimiento del agua en la zona no saturada, otras fuerzas (especialmente la tensin superficial) pueden jugar un papel muy importante. En tales condiciones el agua puede discurrir a travs del suelo en direccin sensiblemente horizontal o paralela a la superficie como y descargar en los ros agregndose a la escorrenta superficial. Otra parte del agua infiltrada puede profundamente para recargar el agua subterrnea, la que a su vez puede volver a la atmsfera por evapotranspiracin, cuando el ancho de la zona no saturada ( ) es relativamente pequea y aquella quede suficientemente prxima a la superficie del terreno. Otras veces, el agua subterrnea pasa a engrosar el caudal de los ros, alimentando directamente su cauce o a travs de manantiales: en las zonas costeras estos manantiales, a veces, son submarinos. Si la precipitacin cae en forma de nieve, quedar acumulada en estado slido sobre el terreno, hasta que reciba suficiente calor para su fusin, por lo que, a los efectos hidrolgicos, la precipitacin en forma de nieve equivaldra a otra de lluvia que hubiese cado al tiempo de la fusin, descontando la cantidad de nieve que se evapora directamente. Excepto en reas de escurrimiento endorreicas o interiores de las zonas ridas o semiridas, resulta que la mayor parte de las aguas de la escorrenta directa y de la subterrnea terminan en el mar, pudiendo considerarse por ello, que los ocanos constituyen el punto final del ciclo hidrolgico, pues de ellos vuelve a evaporarse el agua, para iniciar de nuevo todo el proceso. El ciclo hidrolgico es un proceso continuo en el que, en su concepcin ms general, una partcula de agua evaporada del ocano vuelve al mismo despus de pasar por las etapas de precipitacin y escorrenta superficial o subterrnea. Sin embargo, a lo largo del ciclo puede haber mltiples cortocircuitos o ciclos menores; por ejemplo, una gota de lluvia cada sobre el continente podra recorrer indefinidamente el ciclo: lluvia-infiltracin-evaporacin-lluvia-infiltracin, etc.; o, en forma anloga, una partcula de lluvia sobre el mar: lluvia-evaporacin-lluvia-evaporacin, etc. Tambin hay que tener muy en cuenta que el movimiento del agua en el ciclo hidrolgico se caracteriza por su irregularidad, tanto en el espacio como en el tiempo. Por ejemplo, en las regiones desrticas, la lluvia puede ocurrir en unos pocos das y no todos los aos, sino slo cada cierto nmero de ellos; en este caso, algunos elementos del ciclo hidrolgico, como la infiltracin y la evaporacin, suelen ser casi tan irregulares como la lluvia, y la escorrenta superficial o subterrnea son a veces, prcticamente inexistentes. Anlogamente, tampoco se registra una correspondencia entre las regiones donde se produce la evaporacin del agua y aquellas sobre las que luego incide la precipitacin, como consecuencia del transporte del vapor de agua por las masas mviles de aire.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 12. Unidad 11-10Concretando lo anterior, debe tenerse muy presente que aunque el concepto de ciclo hidrolgico es simple, el fenmeno es sumamente complejo e intrincado. Aqul no es slo grande, sino que est compuesto de muchos ciclos interrelacionados de extensin continental, regional y local. Aunque el volumen total de agua en el ciclo hidrolgico global permanece sensiblemente constante, la distribucin de esta agua est cambiando en forma continua en continentes, regiones y cuencas locales de drenaje.La hidrologa de una regin est determinada en forma fundamental por sus patrones de clima, tales como relieve, condiciones de la superficie y vegetacin. Tambin, a medida que la civilizacin progresa, las actividades humanas invaden gradualmente el medio ambiente natural del agua, alterando el equilibrio dinmico del ciclo hidrolgico e iniciando nuevos procesos y eventos. Por ejemplo, hay teoras que afirman que debido a la quema de combustibles fsiles, la cantidad de dixido de carbono en la atmsfera se est incrementando, lo que puede llevar al calentamiento de la tierra y tener efectos de largo alcance sobre la hidrologa global. A nivel local, la accin del hombre va introduciendo cambios progresivamente importantes en el ciclo hidrolgico de algunas regiones. Por ejemplo, los drenajes extensivos han hecho descender el nivel de la zona saturada y, paralelamente, se ha reducido la evapotranspiracin y ha aumentado la aportacin de la escorrenta subterrnea a los ros; la construccin de presas y canales de derivacin modifica los regmenes naturales de escurrimiento de los ros; la deforestacin o la repoblacin forestal pueden tambin modificar el rgimen de crecidas de los ros, pero no parece haber datos que permitan asegurar una modificacin sustancial en su aportacin media anual.El clculo de la cantidad total de agua en la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrolgico ha sido tema de investigacin cientfica desde la segunda mitad del siglo XIX. Sin embargo, la informacin cuantitativa es escasa, particularmente en los ocanos, debido a lo cual las cantidades de agua presentes en varios componentes del ciclo hidrolgico global no pueden asegurarse con precisin. En valores aproximados se considera que el volumen total de agua en nuestro planeta es de 1.386.000.000 km3, de los cuales el 96.5% se encuentra en los ocanos, el 1.7% en los hielos polares, otro 1.7% como agua subterrneas y solamente el 0.1% restante compone los sistemas de agua superficial y atmosfrica. Esta ltima, que constituye la fuerza motriz de la hidrologa del agua superficial, tiene slo 12.900 km3, es decir, menos del 0.001% de toda el agua de la tierra. De la cantidad total de agua indicada en el prrafo anterior, el 97.5% corresponde a aguas saladas y el 2.5% restante (unos 35.000.000 km3) a aguas dulces, de los cuales slo el 0.006% est en los ros (2.120 km3), mientras que el agua biolgica, fijada en los tejidos de plantas y animales, representa el 0.003%, equivalente a la mitad del anterior. A pesar de que el contenido comparativo de agua en los sistemas superficial y atmosfrico es tan pequeo, inmensas cantidades de agua pasan anualmente a travs de ellos. La precipitacin media anual que incide fuera de la ocanos (o sea sobre superficie terrestre) se estima en 119.00 km3/ao, equivalente a 800 mm/ao, de los cuales el 61% (72.000 km3/ao 484 mm/ao) se consumen por evaporacin, mientras que el 39% restante conforma la escorrenta hacia los ocanos, principalmente como agua superficial.La ciencia de la hidrologa, y su evolucin, se halla ntimamente relacionada con el concepto de ciclo hidrolgico. En una forma muy general, el desarrollo histrico de la hidrologa puede ser estudiado a travs de una serie de perodos. Dado que en varios casos tales perodos se solapan, los aos que los limitan no deben ser tomados en forma estricta.1) El perodo de la especulacin (antigedad 1400)Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 13. Unidad 11-11Cuando el hombre comenz a distinguir los diversos elementos que constituan su entorno natural y sus caractersticas, descubri ya en remotas pocas, no slo la vital importancia del agua y su utilizacin sino tambin las graves consecuencias de sus faltas y de sus excesos. Se ha descubierto as que ya 5.000 aos atrs existieron culturas que desarrollaron importantes obras hidrulicas, a lo largo de los grandes ros del Asia Menor y del Nilo Inferior. Estas construcciones tenan por objeto irrigacin y drenaje, proteccin frente a crecidas y abastecimiento de agua, y de su concepcin se desprende que quienes las disearon deben haber conocido ya sencillos principios hidrolgicos. Sin embargo, las primeras mediciones hidrolgicas no fueron llevadas a cabo con fines de aplicacin. El dispositivo que hace 4.000 aos meda los niveles del ro Nilo slo era accesible a los sacerdotes, los que, de acuerdo a los valores observados, fijaban el monto de los impuestos. En registros escritos que datan del ao 400 a.C., relativos a temas de poltica y administracin, se cita que las mediciones de precipitacin eran tomadas como base para la fijacin del impuesto a las tierras. Las civilizaciones asiticas antiguas desarrollaron una lnea de pensamiento independiente. Los chinos registraron observaciones de lluvias, nevisca, nieve y viento en el orculo de huesos de Anyang hacia el ao 1.200 a.C. Probablemente usaron pluvimetros alrededor del ao 1.000 a.C. y establecieron una medicin sistemtica de lluvias alrededor del ao 200 a.C. En la India, las primeras mediciones cuantitativas de lluvia datan de la segunda parte del siglo IV a.C. El concepto de ciclo hidrolgico dinmico pudo haber surgido en China hacia el ao 900 a.C., en la India hacia el ao 400 a.C. y en Persia alrededor del siglo X, pero estas ideas tuvieron muy poco impacto sobre el pensamiento occidental. Basados en los conocimientos empricos de las antiguas culturas del Asia Menor y de los egipcios, los filsofos griegos desarrollaron diversas hiptesis del ciclo hidrolgico, que se hallaban sensiblemente influenciadas por dos fenmenos caractersticos de la regin por ellos conocida: el caso del ro Nilo y las zonas karsticas de Grecia, con sus oquedades y aguas subterrneas. Los egipcios no podan imaginar, dada la escasez de precipitaciones en su propio territorio, que en algn lugar stas pudiesen ser suficientes para alimentar los grandes caudales del Nilo. Surgieron as tres hiptesis relativas al camino por medio del cual el agua reornaba al mar a travs de ros y arroyos: a) La hiptesis del ascenso del agua en el interior de la tierra firme. De acuerdo a esta teora de Mileto (-639 a -545) y Platn (-428 a -347), el agua (origen de todas las cosas) se infiltraba desde el mar hacia la tierra, donde percolaba hacia el interior y ascenda, aflorando en las nacientes de ros y arroyos, depurndose en aqul trayecto de las sales que contena. b) La hiptesis meteorolgica (Ciclo atmosfrico). Esta teora reconoce y describe correctamente diversos elementos del ciclo hidrolgico. Segn Anaximandro de Mileto (-610 a -547), la lluvia proviene de la humedad, que el sol le quit a la tierra. Xenfanes estableci alrededor de 500 a.C., que la evaporacin del agua del mar constitua la fuente principal de la humedad atmosfrica y que los ros eran alimentados por las lluvias. Anaxgoras de Clazomene (-500 a -428) ide una versin primitiva del ciclo hidrolgico. Crea que el sol evaporaba el agua del mar hacia la atmsfera, desde donde caa como lluvia, y formaba las reservas subterrneas, las cuales alimentaban los caudales de los ros. Un avance en relacin con esta teora fue hecho por otro filsofo griego, Teofrasto (-372 a 287), quien describi en forma correcta el ciclo hidrolgico en la atmsfera. Dio una explicacin lgica de la formacin de la precipitacin por medio de la condensacin y del congelamiento. c) La hiptesis de la transformacin del aire en agua en el interior de la corteza terrestre. Fue formulada como una tercera hiptesis por Aristteles (-384 a 322) en su obra Meteorologica, segn la cual en la tierra se va formando agua Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 14. Unidad 11-12en forma permanente por enfriamiento del aire atmosfrico que penetra en los poros y grietas de la capa superficial. Despus de estudiar los trabajos de Teofrasto, el arquitecto e ingeniero romano Marco Vitruvio, quien vivi en la poca de Cristo, concibi la teora que se acepta hoy en da, extendi la explicacin de Teofrasto al afirmar que el agua subterrnea se deriva principalmente de la lluvia y la nieve infiltradas a travs de la superficie del suelo. Esta puede considerarse como la precursora de la versin moderna del ciclo hidrolgico. A pesar de ello, la hiptesis de Aristteles fue considerada durante varios siglos como la mas veraz, y las correctas apreciaciones de Marco Vitruvio pasaron desapercibidas.2) El perodo de observacin (1400 a 1600) Cuando despus de la Edad Media renacieron las ciencias, se produjo un cambio gradual desde los conceptos puramente filosficos de hidrologa hacia la ciencia observacional. Leonardo da Vinci (1452 a 1519) efectu los primeros estudios sistemticos de la distribucin de velocidad en los ros, utilizando una vara lastrada que se mantena a flote por medio de una vejiga animal lastrada. Las 8.000 pginas de notas de Leonardo que se conservan contienen ms referencias relacionadas con la hidrulica que con cualquier otra materia. El cientfico francs Bernard Palisay (1509 a 1589) demostr, aplicando los conceptos de la gravedad y de la condensacin, que los ros y manantiales se originan de la lluvia, refutando las antiguas teoras que sostenan que las corrientes eran alimentadas directamente por percolacin de aguas de mar o por transformacin de aire en el subsuelo.3) El perodo de la medicin (1600 a 1700) Puede considerarse que la ciencia de la hidrologa, en su versin moderna, comenz en el siglo XVII con las mediciones de los fenmenos involucrados. As por ejemplo, el naturalista francs Pierre Perrault (1608 a 1680) estableci para una subcuenca del ro Sena el balance hdrico de un ao medio, segn el cual: precipitacin = escorrenta + prdidas, llegando a la conclusin que las precipitaciones eran suficientes para alimentar los ros. El fsico Edm Mariotte (1620 a 1684) verific los clculos de Perrault mediante mediciones de precipitaciones y caudales en el mismo ro. El problema an indefinido de las prdidas fue resuelto por el astrnomo Edmond Halley (1656 a 1742), quien estim experimentalmente valores para la evaporacin desde superficies de agua, las que aplic para calcular el balance hdrico del Mar Mediterrneo, lo que lo permiti demostrar que el agua evaporada era ms que suficiente para asegurar los caudales de los ros mediante precipitaciones.4) El perodo de la experimentacin (1700 a 1800) Durante el siglo XVIII los estudios de hidrulica experimental y su aplicacin a los fenmenos hidrolgicos, se tradujeron en un florecimiento de la hidrologa, dando como resultado nuevos descubrimientos y una mejor comprensin de los principios hidrulicos. Notables ejemplos en tal sentido los constituyen el piezmetro de Bernoull, el tubo de Pitot, el molinete de Woltman, los modelos en escala de Smeaton, el tubo de Borda, el principio de DAlembert, el teorema de Bernoull y la frmula de Chzy; desarrollndose en general mejores instrumentos, entre ellos el pluvigrafo de cubeta basculante. Todos estos avances aceleraron grandemente el comienzo de los estudios hidrolgicos realizados sobre una base cuantitativa.5) El perodo de la modernizacin (1800 a 1900) El siglo XIX fue en muchos aspectos la gran era de la hidrologa experimental que haba comenzado con el precedente perodo de la experimentacin, y se fue modernizando en forma tal que en esta poca se cimentaron la mayora de los principios de la hidrologa moderna, Si bien el signo de la modernizacin puede observarse en numerosas contribuciones a la hidrologa moderna, la mayora de ellas lo fueron en el campo del agua subterrnea y de la medicin de las aguas superficiales. En el primero de los mbitos mencionados, los conocimientos de la geologa fueron aplicados por primera vez a problemas hidrolgicos por William Smith, en Inglaterra. Se efectu adems la formulacin de numerosas expresiones, tales como la ecuacin de Hagen-Poiseuille para el flujo capilar (1839); la ley de Darcy relativa al flujo en medios porosos (1856); la frmula de bombeo de pozos de Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 15. Unidad 11-13Dupuit-Thiem (1863, 1906), mientras que en 1889 se presentaba el principio del balance de las aguas salinas. En el campo de las aguas superficiales, la hidrometra experimentaba un notorio avance, incluyendo la formulacin de numerosas expresiones para determinar el flujo en canales, el desarrollo de diversos dispositivos de medicin y el comienzo del aforo sistemtico en cauces importantes. El mtodo racional para calcular las crecidas mximas fue propuesto por Thomas Mulvaney en 1850, Ganguillet y Kutter determinaron el coeficiente de Chzy en 1869 y Manning propuso su ecuacin para el flujo en canales abiertos (1891). En noviembre de 1867 se organiza la primera medicin internacional de los caudales de un ro, en el Rhin. En otros aspectos, en 1802, John Dalton (1766 a 1844) fue el primero en reconocer la relacin entre la evaporacin y la tensin del vapor; y Rippl present su diagrama para determinar los requerimientos de almacenamiento (1883). Asimismo se introducen por primera vez importantes estudios hidrolgicos en el proyecto de grandes obras hidrulicas.6) El perodo del empirismo (1900 a 1930) Sin embargo, la hidrologa cuantitativa todava no estaba consolidada a principios del siglo XX. Al no conocerse suficientemente las bases fsicas de la mayora de las determinaciones hidrolgicas cuantitativas ni haberse desarrollado an suficientemente los programas de investigacin, los hidrlogos e ingeniero deba recurrir a bases empricas para poder resolver sus problemas prcticos. As, durante la ltima parte del siglo XIX como todava aproximadamente en los primeros 30 aos del XX, el empirismo en hidrologa se torn ms evidente, siendo propuestas por ejemplo, cientos de frmulas de ese tipo para la solucin de diversos problemas, resultando la seleccin de los valores de los coeficientes y parmetros intervinientes en las mismas (por lo general de un amplio rango de variabilidad) una cuestin de criterio personal. En la mayora de los casos se llegaba, con estos mtodos, a la obtencin de resultados totalmente diferentes, segn la frmula y los coeficientes que se aplicaran, aunque hubiesen sido propuestas para idntico fin. Como consecuencia de lo expuesto se observ al poco tiempo que las aproximaciones empricas a la solucin de problemas hidrolgicos prcticos resultaba altamente insatisfactoria, se puso mayor nfasis en la investigacin hidrolgica y en el anlisis racional de la informacin observada. As, como primeros pasos, Green y Ampt (1911) desarrollaron un modelo fsico para la infiltracin y Hazen (1914) introdujo el anlisis de frecuencia para el clculo de crecidas mximas y los requerimientos de almacenamiento de agua. Paralelamente se fueron creando diversas agencias estatales en diversos pases dedicadas parcial o especficamente a la hidrologa, y a nivel internacional se comenz, como un aspecto fundamental para el desarrollo de la hidrologa y el conocimiento e inventario pleno de los recursos hdricos, con un trabajo integrado. El mismo tiene sus orgenes con la creacin en 1922 de la International Association of Scientific Hydrology (IASH) y sus comisiones de aguas superficiales, aguas subterrneas, erosin continental, nieve y hielo, calidad del agua y sistemas de recursos hdricos. De cuestiones hidrolgicas se ocupan asimismo (si bien fueron creadas con posterioridad), la Asociacin Internacional para la Investigacin Hidrolgica (IAHR), la Asociacin Internacional de Hidrogelogos (IAH) y la Comisin Internacional de Irrigacin y Drenaje (ICID).7) El perodo de la racionalizacin (1930 a 1950) Durante este perodo aparecieron muchos grandes hidrlogos que emplearon anlisis racionales en lugar del empirismo, para la resolucin de los problemas hidrolgicos. As en 1931, Richards determin la ecuacin que gobierna el flujo no saturado, en 1932 Sherman efecta un avance fundamental en hidrologa con la introduccin del uso del mtodo del hidrograma unitario para transformar la precipitacin efectiva en escorrenta directa; en 1933 Horton desarroll la mejor aproximacin lograda hasta la fecha para determinar los excedentes de precipitacin en base a la teora de infiltracin y luego, en 1945 define una serie de relaciones que permiten una descripcin de la forma de una cuencas de drenaje. Por otra parte, en 1941 Gumbel propuso el uso de una ley de distribucin de valores extremos Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 16. Unidad 11-14para anlisis de frecuencias de datos hidrolgicos, con lo que, conjuntamente con otros autores, revitaliz el uso de las estadstica en hidrologa, que tiempo atrs haba sido propuesto por Hazen. En 1944, Bernard jerarquiza el rol de la Meteorologa, marcando as el comienzo de la ciencia de la hidrometeorologa. Finalmente, en 1950 Einstein desarrolla la funcin que introduce el anlisis terico del transporte y sedimentacin del material de arrastre de los ros y Hurst (1951) demostr que las observaciones hidrolgicas pueden exhibir secuencias para valores bajos o altos, que persisten a lo largo de muchos aos.8) El perodo de la teorizacin (1950 a la fecha) Desde alrededor de 1950, las aproximaciones tericas han sido extensamente empleadas en la resolucin de los problemas hidrolgicos, como consecuencia de que muchos de los principios racionales propuestos pueden ser ahora formulados y resueltos mediante el anlisis matemtico. El vertiginoso avance da la computacin ha sido aplicado tambin al planteo de delicados fenmenos de hidrologa y a la resolucin de las complicadas ecuaciones matemticas resultantes de la aplicacin de las modernas teoras hidrolgicas. Independientemente de ello, el desprendimiento de la moderna mecnica de los fluidos de la hidrulica tradicional, ha ayudado tambin en gran medida a promover el desarrollo de la hidrologa terica. Ejemplos de estudios de hidrologa terica los constituyen los anlisis lineales y no lineales de sistemas hidrolgicos, la aplicacin de conceptos estadsticos en la hidrodinmica de las aguas subterrneas, la aplicacin de las teoras de transferencia de calor y de masas en los anlisis de evaporacin, estudios relativos a la energa y dinmica de la humedad del suelo, la generacin secuencial de datos hidrolgicos y el uso de la investigacin operativa en el diseo de sistemas de aprovechamiento de los recursos hdricos. En la actualidad, el trabajo conjunto ente los distintos pases en el campo de la hidrologa es dirigido fundamentalmente por la UNESCO y la Organizacin Meteorolgica Mundial (WMO). El Decenio Hidrolgico Internacional (IHD), de 1965 a 1974 y su continuacin a largo alcance en el Programa Hidrolgico Internacional (IHP), brind y brinda un valioso aporte para la formulacin de trabajos integrados en el mbito de la investigacin hidrolgica y la formacin y capacitacin de personal, con la meta de llevar a todos los pases a la situacin de conocer ms cabalmente sus recursos hdricos, protegerlos y usarlos mas racionalmente.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I / Hidrologa II 17. Un iv er sida d Naci ona l de C u yo F a c u lt a d d e In gen ier a I ng en ie r a C iv ilGua de Estudio para las Ctedras:Ing. Esp. Rubn VILLODAS 18. TEMA 2.a: CLIMATOLOGA ................................................................................................................................................... 2-1 2.a.1. DEFINICIONES DE CLIMA ................................................................................................................................. 2-1 2.a.2. FACTORES Y ELEMENTOS ................................................................................................................................ 2-1 2.a.2.i. Factores .......................................................................................................................................................... 2-2 2.a.2.ii. Elementos....................................................................................................................................................... 2-2 2.a.3. SERIES.................................................................................................................................................................. 2-2 2.a.4. CLASIFICACIN................................................................................................................................................... 2-2 2.a.4.i. Macroclimatologa ......................................................................................................................................... 2-3 2.a.4.ii. Microclimatologa .......................................................................................................................................... 2-6 TEMA 2.b: METEOROLOGA ................................................................................................................................................. 2-7 2.b.1. DEFINICIN ......................................................................................................................................................... 2-8 2.b.1.i. El Tiempo Atmosfrico ................................................................................................................................. 2-8 2.b.1.ii. El Ciclo Hidrolgico y los Elementos del Tiempo ...................................................................................... 2-8 2.b.2. LA ATMSFERA .................................................................................................................................................. 2-9 2.b.2.i. Zonificacin .................................................................................................................................................... 2-9 2.b.2.ii. Composicin.................................................................................................................................................2-11 2.b.2.iii. Atmsfera Standard ...................................................................................................................................2-11 TEMA 2.c: LA RADIACIN SOLAR.....................................................................................................................................2-12 2.c.1. GENERALIDADES..............................................................................................................................................2-12 2.c.1.i. La Constante Solar......................................................................................................................................2-12 2.c.1.ii. Reflexin y Absorcin..................................................................................................................................2-12 2.c.1.iii. Emisin .........................................................................................................................................................2-13 2.c.1.iv. Dispersin.....................................................................................................................................................2-14 2.c.2. LA RADIACIN NETA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE.............................................................................2-14 2.c.3. UNIDADES .........................................................................................................................................................2-14 2.c.4. MEDICIN ..........................................................................................................................................................2-15 TEMA 2.d:CALOR.................................................................................................................................................................2-15TEMA 2.e: TEMPERATURA.................................................................................................................................................2-16 2.e.1. DISTRIBUCIN GEOGRFICA.........................................................................................................................2-16 2.e.2. VARIACIONES PERIDICAS............................................................................................................................2-16 2.e.3. MEDICIN ..........................................................................................................................................................2-17 2.e.3.i. Termmetros ...............................................................................................................................................2-17 2.e.3.ii. Termgrafos .................................................................................................................................................2-17 2.e.4. PRESENTACIN DE DATOS TRMICOS.......................................................................................................2-17 2.e.4.i. Temperaturas Medias y Normales............................................................................................................2-18 2.e.4.ii. Grado-da ......................................................................................................................................................2-18 2.e.4.iii. La Temperatura Bajo la Superficie Terrestre..........................................................................................2-18 2.e.4.iv. Capa Invariable ............................................................................................................................................2-19 2.e.4.v. Grado Trmico .............................................................................................................................................2-19 2.e.4.vi. Amplitud Diurna..........................................................................................................................................2-19 TEMA 2.f: LA PRESIN ATMOSFRICA...........................................................................................................................2-19 2.f.1. CONCEPTO .........................................................................................................................................................2-19 2.f.2. UNIDADES .........................................................................................................................................................2-19 2.f.3. VARIACIONES....................................................................................................................................................2-20 2.f.3.i. Variaciones Peridicas ................................................................................................................................2-20 2.f.3.ii. Variaciones Locales .....................................................................................................................................2-21 19. 2.f.3.iii. Variaciones Irregulares............................................................................................................................... 2-21 2.f.4. MEDICIN ......................................................................................................................................................... 2-21 2.f.4.i. Barmetros.................................................................................................................................................. 2-21 2.f.4.ii. Bargrafos ................................................................................................................................................... 2-23 2.f.5. MAPAS ISOBRICOS ...................................................................................................................................... 2-23 TEMA 2.g: 2.g.1. 2.g.2. 2.g.3.EJERCICIOS RESUELTOS ............................................................................................................................... 2-23 NDICES CLIMATICOS..................................................................................................................................... 2-23 CICLO DIARIO DE TEMPERATURAS............................................................................................................. 2-24 CICLO ANUAL DE TEMPERATURAS............................................................................................................. 2-24Figura 3.Balance de Radiacin en la Superficie de un Cuerpo........................................................................................ 2-13Figura 4.Ley de Variacin: Presin Atmosfrica vs Altura............................................................................................... 2-21Figura 5.Barmetro de Mercurio y Bargrafo Aneroide .................................................................................................. 2-22Figura 6.Termograma Diario................................................................................................................................................ 2-25Figura 7.Termograma Anual ................................................................................................................................................ 2-25Cuadro 1:Clasificacin Macroclimtica de Martone..............................................................................................................2-4Cuadro 2:Clasificacin Macroclimtica de Thornthwaite .....................................................................................................2-5Cuadro 3:Clasificacin de Aridez de Knoche...........................................................................................................................2-5Cuadro 4:Clasificacin Macroclimtica de Gasparn .............................................................................................................2-6Cuadro 5:Clasificacin Macroclimtica de Blair.....................................................................................................................2-6Cuadro 6:Est. Met. Aeropuerto Mendoza Serie Horaria - Enero 2008 ...................................................................... 2-26 20. Unidad 22-1Clima es una palabra griega (klima) que, etimolgicamente, significa inclinacin, aludiendo indudablemente a la inclinacin del eje de la Tierra sobre el plano de la elptica que sigue el planeta alrededor del sol. Histricamente es curioso sealar, como paralelamente al descubrimiento de esta inclinacin del eje de la Tierra, aparecieron las primeras clasificaciones climatolgicas. La ms antigua de las que se tiene referencia fue establecida por Ptolomeo, quien diferenciaba 24 zonas climticas en al Tierra. El criterio para separar unas de otros se fundaba en el sucesivo incremento de la duracin del da. Ya en tiempos modernos, se publican diversas clasificaciones, establecidas por los gegrafos, de manera que puede decirse que la Climatologa ha entrado en el capo de la Ciencia de la mano de la Geografa, tanto es as que los primeros estudios climatolgicos se diferenciaban muy poco de los geogrficos. Las primeras definiciones de clima se refirieron casi todas al estado medio de la atmsfera. Hann define el clima como Para Monn el clima es un . En las definiciones ms recientes, es dable observar como los criterios puramente geogrficos se van dejando de lado, entrando a pesar ms los criterios biolgicos. As Thornthwaite present esta definicin: . En cierto modo, al decir factores climticos, implcitamente se incluye lo definido en la definicin. Poncelet define el clima como . En las sucesivas definiciones, se han ido teniendo en cuenta cada vez ms los factores biolgicos, dndosele paralelamente mayor importancia a un concepto climatolgico de gran inters: la evapotranspiracin, la cual no es nicamente atribuible a las condiciones fsicas de un lugar, sino que en ella intervine fundamentalmente la accin de los seres vivos. Finalmente la definicin que hoy en da se debe admitir de Clima y que figura en las publicaciones oficiales de la Organizacin Meteorolgica Mundial (OMM), es la siguiente:Al estudiar el clima se suelen considerar en l dos aspectos fundamentales o bien dos tipos de parmetros: factores y elementos:X Factores son aquellos aspectos fsicos y geofsicos que condiciones el clima. X Elementos son cada uno de sus componentes, que no son otra cosa que las variables meteorolgicas que lo determinan.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 21. Unidad 22-2Entre los factores que condicionan el clima de un lugar determinado, cabe citar: a)La latitud, que es el factor ms importante, que condiciona la radiacin solar.b)La altitud, pues disminuye con ella la temperatura, a la vez que se altera la radiacin.c)La continentalidad, es decir la mayor o menor distancia de un lugar a los mares.d)La orografa, puesto que los cordones montaosos constituyen verdaderos muros de contencin al flujo normal del aire.e)La orientacin, de importancia en configuraciones de relieve complicado, relacionado con el punto anterior y la inclinacin del terreno.f)La naturaleza propia del terreno.g)La vegetacin, debiendo destacarse que existe una interaccin mutua entre clima y vegetacin, pues se condicionan recprocamente.h)Regmenes de vientos en altura.Los elementos del clima estn dados prcticamente por las variables meteorolgicas del lugar considerado, en especial la radiacin, la temperatura, la precipitacin, la presin y los vientos, los valores medios y extremos que stas toman y sus regmenes de variacin.Para el estudio de la climatologa deben utilizarse exhaustivamente los datos existentes, dado que al ser una ciencia descriptiva, trabaja con los valores surgidos de sus propias observaciones. La definicin de clima de la OMM transcripta en el apartado 2.a.1, haca referencia a un perodo suficientemente largo. En trminos muy generales se ha establecido que un lapso de 30 a 35 aos es suficiente para definir las variables climatolgicas de un determinado lugar, dado que en el mismo se desarrollara un ciclo meteorolgico completo. Sin embargo, la extensin de la serie de datos debe ser variable, pues un perodo determinado puede ser suficiente para medir una variable e insuficiente para otra. As por ejemplo, la variabilidad de la presin es francamente pequea en la mayor parte de la Tierra (salvo Islandia y Siberia), bastando por consiguiente con unos pocos aos de registros para elaborar una estadstica de presin. No ocurre lo propio con la precipitacin, que presenta una variabilidad sumamente grande, pudiendo variar de un ao a otro del 300% al 400%, y no en el orden del 5% como ocurre con la presin. Esta situacin se traduce en un significativo conflicto para el anlisis estadstico, justamente en el fenmeno cuya evaluacin es la que ms interesa en la Ingeniera Hidrolgica. Para la caracterizacin de la temperatura en un determinado lugar, dados los valores usuales y su variacin, la serie de registros necesarios resulta menor que para el caso de las precipitaciones. Otro problema que presenta el anlisis de las precipitaciones, es que su lmite inferior puede ser cero y no tiene significado otro valor menor, no as las series de temperaturas, que siempre se hallan abiertas en ambos extremos. Tal circunstancia dificulta el estudio estadstico, el clculo de las asimetras, etc.El objetivo fundamental de la clasificacin de los climas estriba en su comparacin, con el fin de poder usar los datos hidrolgicos en regiones distintas. En climas homogneos, la temperatura y la precipitacin (yUniversidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 22. Unidad 22-3eventualmente otros elementos climticos) son similares (no equivalentes) en cantidad, variacin y distribucin. As por ejemplo, el estudio comparativo de las cuencas, para las cuales son conocidos los valores medios anuales de pluviometra y erosin, ha permitido comprobar que en aquellas cuencas en que se presentaba una desigual reparticin de las lluvias en el ao, con una concentracin de precipitaciones en un lapso relativamente corto del mismo, se produca una degradacin especfica elevada. Por el contrario, las cuencas con degradaciones especficas dbiles predominan en climas cuya distribucin anual de lluvias es ms uniforme. Puesto que el clima es una compleja combinacin de elementos, la que a su vez depende de una no menos compleja combinacin de factores, resulta muy difcil intentar una clasificacin satisfactoria y de aceptacin unnime, de los variadsimos tipos climticos que se presentan en la superficie terrestre. Sin embargo, si puede establecerse una primera clasificacin o, para una mejor comprensin, una doble acepcin conceptual, basada en el mbito espacial del que se estudia el clima, y que responde a: microclima y microclima. Ambos trminos definen por s mismos el objetivo a alcanzar y su campo de utilizacin.Las primeras clasificaciones fueron establecidas con criterio puramente geogrfico y posteriormente, fueron perfeccionndose al considerar los parmetros climatolgicos en toda su amplitud. Dado que las clasificaciones generales abarcan la totalidad de los climas presente en la superficie terrestre, brindan su descripcin y definen sus caractersticas, en el presente apartado se har referencia detallada nicamente a los tipos climticos que corresponden a la zona andina central de la Repblica Argentina. Los restantes slo sern mencionados, sin definir sus caractersticas.Martone, en funcin bsicamente de la temperatura, la humedad y la situacin continental, estableci seis tipos de climas: 1:Climas calurosos sin perodo seco o Climas Ecuatoriales2:Climas calurosos con perodo seco o Climas Tropicales3:Climas templados sin estacin fra o Subtropicales4:Climas templados con estacin fra5:Climas Desrticos. Son determinados en general por el relieve del suelo (condiciones orogrficas especiales), como ser llanos rodeados de cordilleras que sirven de barrera a los vientos hmedos y a las lluvias. Se distinguen dos tipos: ab6:Climas Desrticos Calurosos, con un total anual de lluvia inferior a los 250 mm, con distribucin irregular, variacin trmica anual muy fuerte en la situacin continental y ms dbil en el tipo ocenico. Climas Desrticos Fros, cuya diferencia con el anterior estriba en que aparte de contar con estacin fra, dado que suelen registrarse en verano temperaturas elevadas, tienen una mayor amplitud anual.Climas Fros con verano templado y climas fros sin estacin templadaUna de las clasificaciones climatolgicas ms difundidas, es la establecida por Kppen, que basada en la temperatura y lluvias, establece 5 zonas, que a su vez dan lugar a 11 categoras, cada una con diversas variedades. Tal clasificacin comprende: Zona A Tropical LluviosaUniversidad Nacional de Cuyodonde siempre la temperatura media de un mes es mayor de 18C y la precipitacin media anual es mayor de 750 mm. Comprende la Categora 1Facultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 23. Unidad 22-4(Selva) y la Categora 2 con dos subcategoras (Sabana y Bosque Lluvioso). Cada una de ellas admite a su vez varias subdivisiones. Zona B Secocon las siguientes categoras: Categora 3Estepa (BS), con tres subdivisiones: (i)BSslluvias en invierno PUniversidad Nacional de Cuyoa100PequeaFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 25. Unidad 22-6Se utiliza como ndice de humedad del suelo referida a un ao, y est dado por: P 50 * TU/4/ donde:Ttemperatura media del ao, en CPprecipitacin anual, en mmU < 0.5Muy seco0.5a 1.0Seco1.0a 1.5Hmedo> 1.5Muy hmedoEst dado por:/5/IBPdonde:Pprecipitacin anual, en mmIB 0a250rido250a500Semirido500a 1000Subhmedo1000a 2000Hmedo> 2000Muy hmedoEl microclima es el conjunto de condiciones climticas que actan efectivamente sobre los organismos en su hbitat natural y que difieren, a veces de modo considerable, del clima regional entendido en sentido geogrfico. Un microclima afecta normalmente a un rea limitada, pudiendo variar sus condiciones propias en distancias muy pequeas. Las clasificaciones genricas de climas, as como los ndices que se calculan para una regin, pueden no ajustarse a la realidad cuando se los aplica a reas reducidas. Ello se debe a que los diversos factores que condicionan el clima, tales como relieve, orientacin, altitud, naturaleza del suelo, vegetacin, etc., ofrecen distintos matices, lo que origina, dentro de cada tipo general de clima, una infinidad de variedades localizadas. Es decir, las mltiples circunstancias locales condicionan el clima de un lugar, particularizndolo en diversos microclimas. Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 26. Unidad 22-7En la produccin y definicin de las caractersticas de los microclimas, ejercen una influencia preponderante, las condiciones que presentan los accidentes de la superficie terrestre, en virtud de ello los microclimas se van debilitando hasta casi desaparecer en regiones muy elevadas sobre el nivel del mar, en donde slo reina el clima zonal del lugar. La riqueza en microclimas aumenta con la abundancia de accidentes presentes en la superficie terrestre y, en consecuencia, el nmero de ellos puede ser apreciable en reas serranas y montaosas, mxime se en ellas abundan, asimismo, elementos hidrogrficos (ros, lagos, etc.). Por el contrario, casi n existen microclimas en una regin llana y, con mucha mayor razn, en un rea martima de alta mar. El aspecto de mayor incidencia a nivel de obras hidrulicas, lo constituyen los microclimas que pueden generarse como consecuencia de la construccin de presas y la consiguiente conformacin de los embalses a que las mismas dan lugar, debindose por ello evaluar, en la fase de proyecto, las tendencias microclimticas probables a que tender su zona de influencia, valorando los aspectos positivos y negativos de las mismas.La microclimatologa, como disciplina cientfica, es bastante moderna. La inici, en 1911, el botnico Gregorio Kraus, cuando public sus detalladas observaciones meteorolgicas y florsticas practicadas sobre un rea muy limitada, y relacion los hechos botnicos con dichas observaciones meteorolgicas. Aos ms tarde, en 1927, R. Geiger orden los conocimientos recogidos sobre el tema en diversos pases, publicando el primero de sus excelentes tratados sobre microclimatologa. Los mtodos de trabajo de la climatologa clsica y los de la microclimatologa, difieren en ciertos aspectos, que se pasan a puntualizar: a)Mientras que la climatologa trata de establecer los valores absolutos de los diversos elementos del clima (lluvia, temperatura, humedad relativa, etc.), con la mayor exactitud posible mediante el anlisis de largos perodos de registro a fin de obtener valores medios normales, el nfasis de la microclimatologa no se pone tanto en establecer valores de este tipo sino en detectar las diferencias que existen entre microclimas vecinos, lo que se logra con suficiente seguridad por medio de series de observaciones muchsimo ms cortas. En los tratados de Geiger son citadas muchas buenas investigaciones que duraron apenas alguna semanas, y an a veces unos pocos das, en el verano y en el invierno.b)La climatologa se basa en los registros meteorolgicos, para los que los instrumentos de medicin se instalan en forma fija, y que son ledos por el observador a horas determinadas del da. La microclimatologa, por el contrario, usa instrumental instalado en forma transitoria y cuya lectura no se realiza en horas rigurosamente fijadas, emplendose adems por lo general abundante instrumental, pues interesa delimitar el rea que abarca el microclima, o en ocasiones, estudiar distintos microclimas en forma simultnea. A veces, para lograr el objetivo precedentemente mencionado, se usa instrumental porttil con que se recorre el rea a estudiar. Este ltimo precediendo es muy utilizado para estudiar los microclimas generados por las ciudades. Al efecto, se siguen itinerarios preestablecidos, de forma del que a intervalos regulares de tiempo (del orden de las horas), se vaya pasando por determinados puntos fijos, que sirven de control o testigo, para verificar como han evolucionado los fenmenos meteorolgicos dentro del rea estudiada. En ciudades muy extendidas puede detectarse la existencia de numerosos microclimas distintos.c)Mientras que la climatologa, por lo general, no requiere instrumentos de gran sensibilidad, la microclimatologa, usa frecuentemente instrumentos muy sensibles, pues trata de hallar diferencias, muchas veces pequeas, entre microclimas vecinos.Las caractersticas hidrolgicas de una regin estn determinadas por su estructura geomorfolgica y geogrfica y, en forma dominante, por los valores y variacin con que en la misma se presentan los diversos Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 27. Unidad 22-8elementos meteorolgicos, los que a su vez definen su clima. Entre estos elementos se hallan: la radiacin solar, la temperatura (relacionada directamente con la anterior), la humedad, los vientos y, en menor medida, la presin atmosfrica. A todos estos debe agregarse la cantidad, distribucin y tipo de las precipitaciones (las que por su importancia en los estudios hidrolgicos sern tratadas en un captulo independiente), como as tambin la existencia de hielo y nieve. Es obvio que para la comprensin y correcta aplicacin de estas influencias en el planteo y resolucin de los problemas de la Ingeniera Hidrolgica, se deben poseer los conocimientos bsicos relativos a los procesos meteorolgicos que participan en aquellos y que determinan el clima de la regin.En su acepcin ms general, puede definirse la Meteorologa como la . Desde un punto de vista genrico, puede dividirse a esta disciplina en dos grandes ramas: una cuyo objetivo bsico es el estudio de la fsica de la atmsfera, y la segunda, denominada Meteorologa Prctica, que es la que presenta mayor inters a los fines de su aplicacin en Hidrologa y en Ingeniera Hidrolgica.En meteorologa se denomina tiempo al estado de la atmsfera en un lugar y en un momento determinados. Se lo describe en funcin de los llamados elementos del tiempo (radiacin solar, temperatura, humedad, presin atmosfrica y vientos), a los que se deben aadir las nubes presentes (en cantidad y tipo) y el nombre de los fenmenos especiales (meteoros) que tengan lugar en el instante de la observacin (precipitaciones, tormentas, etc.). Los elementos del tiempo no deben ser considerados como entidades separadas, dado que se hallan estrechamente relacionados entre s. Es importante recalcar los conceptos de tiempo y de clima. Como se vi, el clima queda definido por el conjunto de los valores que presentan los elementos del tiempo en una regin a lo largo de un perodo de tiempo suficientemente largo, los que caracterizan el estado medio de la atmsfera en tal lugar. De la confrontacin de ambos conceptos surge que el trmino tiempo se vincula siempre a un estado atmosfrico transitorio (a veces de permanencia sumamente pequea), que puede ser normal o no, para la regin o lugar considerado, quedando definido por las observaciones realizadas en un instante determinado, mientras que para definir su clima deben emplearse datos promedio, que generalmente corresponden varias dcadas de observaciones regulares y continuas.La es la fuente principal de energa de nuestro planeta y quien determina las caractersticas de todos los elementos del tiempo y del clima. En primer trmino la radiacin solar suministra calor a la superficie terrestre; luego esta superficie se encarga de calentar el aire, determinando en l una cierta . As pro ejemplo, se forman las en las zonas ecuatoriales y tropicales, y en la polares. Las masas de aire y el calor solar se combinan para favorecer la de agua en los mares, ros, . reas con cubierta vegetal y suelo hmedos. El vapor de agua as originado constituye la Cuando el vapor de agua sufre procesos de condensacin (por efecto de un ascenso o de un enfriamiento), se (o en nieblas). Algunas nubes generan (lluvias, lloviznas, nieve, transforma en chaparrones, etc.), las cuales vuelven a aportar agua a los mares, ros y suelos, as como a incrementar la humedad del aire. Por otra parte, las distintas masas de aire (fras y calientes), poseen diferentes peso y densidad, segn su temperatura. En consecuencia, generan determinadas zonas de alta y baja , originando Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 28. Unidad 22-9movimientos del aire, , los que no slo favorecen el traslado de las nubes, sino tambin la evaporacin del agua, el transporte de la humedad y el movimiento de las masas de aire. En resumen, el calor proveniente del sol es el nico combustible que mueve a todo el engranaje atmosfrico del tiempo y del clima terrestre.La atmsfera es la envoltura gaseosa que rodea completamente al globo terrqueo, unida a l por la accin de la gravedad. Se extiende verticalmente hacia el interior de la corteza terrestre y hacia el espacio exterior. Los lmites son imprecisos; con un gran margen de amplitud, unos 60 km en el primer caso y de 500 a 600 km en el segundo. El trnsito de la atmsfera al espacio interplanetario se verifica de una manera muy gradual. La importancia de esta envoltura gaseosa queda puesta de manifiesto por el hecho que, sin la misma, la vida no sera posible en la Tierra, ni se produciran los fenmenos meteorolgicos. Desde el punto de vista de la Hidrologa, la atmsfera constituye simultneamente: a) Un enorme que contiene, segn las condiciones meteorolgicas, zonas donde este vapor se convierte en microgotas de agua lquida o nfimas partculas de hielo, que forman nieblas y nubes. Segn las fluctuaciones del estado mecnico y termodinmico del medio ambiente, los elementos de esa fase condensada del agua se evaporan de nuevo o se aglomeran originando precipitaciones. b) Un vasto del agua atmosfrica por encima de las tierras y los ocanos, por medio de una red compleja y fluctuante de corrientes areas regulares o fortuitas. que absorbe selectivamente una pequea parte de la radiacin solar directa y c) Un gran una ms amplia fraccin de la redaccin calrica indirecta, emitida por la tierra al ser calentada por el sol. Si no existiera la atmsfera, aquella alcanzara durante el da temperaturas mayores a 95C, mientras que durante la noche descendera aproximadamente a 180C.El espesor de la atmsfera es tericamente indefinido, pero desde el punto de vista de la Meteorologa Prctica presentan inters prioritario los fenmenos que ocurren en la capa inferior, de unos 15 km de espesor. A la presin normal de 760 mmHg2, la masa de la atmsfera (alrededor de 10 toneladas por m2 de superficie), es del orden de 5x1015 toneladas, o sea casi la millonsima parte de la masa total del planeta. De ese total: los primeros 5 km encierran la mitad de la masa de la atmsfera los 10 primeros kilmetros contienen las partes los 20 primeros km, los 9/10. Las dimensiones horizontales de la atmsfera meteorolgica son pues, en extremo grandes con relacin a las verticales. En este espacio muy plano se produce que: a) Las variaciones de las magnitudes fsicas son rpidas en direccin vertical y muy lentas en horizontal. Para la temperatura y la presin, los gradientes que siguen esas dos direcciones, estn corrientemente en la relacin de 1:1.000 y a veces, de hasta 1:10.000.2mmHg = milmetros de mercurioUniversidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 29. Unidad 22-10b) Las grandes corrientes areas son casi horizontales, fuera de las perturbaciones locales, la componente vertical media de los vientos, en altura, es del orden de 1/100 de la componente horizontal. Teniendo en cuenta las propiedades trmicas de la atmsfera, se pueden distinguir en la misma, cinco estratos principales superpuestos: 1) Troposfera.....Recibe esta denominacin (literalmente capa cambiante), la zona atmosfrica ms prxima a la superficie terrestre, dentro de la cual se producen los principales fenmenos meteorolgicos (nubes, frentes de tormenta, precipitaciones, vientos, etc.). Casi todo el vapor de agua y el polvo de la atmsfera se localizan en esta capa. En la troposfera la temperatura desciende conforme aumenta la altitud, llegando en el lmite superior (denominado tropopausa), a un valor medio de 60C. Dicho lmite vara con la latitud del lugar y la poca del ao, ubicndose en trminos generales a los 13 km en zonas templadas, 16 km en la franja ecuatorial y 8 km en las regiones polares. 2) Estratosfera..Esta capa se ubica sobre la anterior, extendindose hasta una altura del orden de los 40 km. En ella la temperatura se mantiene aproximadamente constante en el valor antes indicado, producindose en la misma, fuertes vientos horizontales y pequeas corrientes verticales. En el lmite superior de esta capa (la estratopausa), se produce un mximo localizado de temperatura, la que vuelve a alcanzar valores positivos, dando lugar a la denominada capa caliente, cuyo origen posiblemente se encuentra en la energa que de manera constante se desprende por la produccin de destruccin de ozono. El incremento de la presencia de esta gas, cuya concentracin mxima se produce entre los 20 y 30 km, tiene especial inters por dos razones: la primera, por actuar como pantalla de las letales radiaciones ultravioleta del sol y en segundo lugar, al absorber una parte apreciable de la radiacin emitido por la tierra, contribuyendo al equilibrio trmico de la atmsfera interior. 3) Mesosfera .....Se extiende hasta la mesopausa (80 a 90 km de altitud), caracterizndose por una continua disminucin de la temperatura, que llega hasta valores de 90C. 4) Termosfera ...o Ionosfera. En esta zona la temperatura de las partculas vuelve a aumentar al altitud, llegando durante el da a alcanzar valores del orden de los 500C, si bien la densidad de la materia gaseosa es ya tan dbil que el concepto de temperatura es puramente matemtico. En la Ionosfera se producen una serie de fenmenos fsicos-qumicos, an poco conocidos, constituidos bsicamente por la absorcin de las radiaciones de onda corta del sol y la ionizacin de varios tipos de molculas y tomos de gas atmosfrico. Las ondas de radio son reflejadas por esta capa. El lmite superior de la ionosfera (termopausa) puede ubicarse aproximadamente entre los 800 y 1.100 km. 5) Exosfera.........A partir del lmite anteriormente indicado, da comienzo la exosfera, zona exterior, ilimitada de la atmsfera. Est constituida por tomos sueltos y aislados (con una concentracin de menos de tomo por cm3), que va disminuyendo progresivamente hasta que se convierte en espacio interplanetario. Posiblemente la temperatura de estas partculas de aire, sea durante el da de unos 2.500C, mientras que por la noche alcanzaran valores cercanos al cero absoluto.No se puede fijar una altura determinada a la atmsfera. Su densidad disminuye gradualmente desde la superficie y algunos fenmenos observados a por lo menos 800 km de altura (casos especiales de auroras boreales) muestran an la existencia de atmsfera a esa distancia de la superficie terrestre. Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 30. Unidad 22-11Convencionalmente se fija el lmite de la atmsfera en 2 000 km.La parte principal de la atmsfera la constituye el aire, mezcla mecnica (no qumica) de diferentes gases, cuyos porcentajes expresados en volumen son aproximadamente los siguientes: Nitrgeno ...................................... 78.080 %Oxgeno ......................................... 20.950 %Argn.............................................0.930 %Anhdrido Carbnico ...................0.035 %Otros gases...................................0.005 %El nitrgeno participa en el reciclado mediante las actividades humanas y por la accin de los microorganismos sobre los desperdicios animales. El oxgeno y el anhdrido carbnico son reciclados (en sentidos opuestos) por medio de la respiracin de los animales y a accin de la fotosntesis de las plantas; este ltimo es tambin un producto de la combustin de los combustibles fsiles. El argn y los otros gases (nen, hidrgeno, helio, criptn, xenn, metano y otros) son inertes y carentes de importancia. En este grupo se incluye tambin al ozono (O3), producto de la escisin de la molcula de oxgeno (O2) en tomos individuales por la accin de la radiacin solar, y que se unen a molculas intactas. Las proporciones medias sealadas son prcticamente constantes hasta una altura de 18 a 20 km, variando luego, con predominio del hidrgeno por encima de los 100 km.Adems de los componentes citados, existen otros, de los cuales el ms importante es el vapor de agua, cuya proporcin vara entre 0.05% y 2.5%, en peso, siendo su cantidad funcin del tiempo y del espacio, principalmente de la temperatura. A pesar de hallarse en la atmsfera en tan pequea proporcin, el vapor de agua es un elemento regulador de la temperatura (tiende a hacerla igual en los diferentes sitios) y su participacin en el ciclo hidrolgico es imprescindible, sin l sera imposible la vida en la Tierra. La composicin de la atmsfera se completa con el denominado polvo o limo atmosfrico, constituido por una diversidad de partculas slidas que se mantienen en suspensin dentro de la misma. Su origen es orgnico en el caso de microorganismos, esporas de las plantas, hongos y bacterias, e inorgnicos para los humos, cenizas volcnicas, material muy fino de la superficie terrestre en suspensin y residuos de combustibles. A pesar de su gran cantidad, su proporcin dentro de la masa de aire es, sin embargo, mnima, y el nmero y naturaleza de las partculas slidas vara sensiblemente segn se trate de lugares densamente poblados, campos, bosques, sitios elevados o situados en el mar, etc. La alta atmsfera est casi libre de este limo atmosfrico.En numerosos problemas prcticos se emplea la , conocida internacionalmente por la sigla ISA, calculada sobre bases de aproximacin suficientes y para condiciones medias normales, y que ha sido adoptada por el Comit Internacional de Navegacin Area.Universidad Nacional de CuyoFacultad de IngenieraHidrologa I/Hidrologa II 31. Unidad 22-12Esta atmsfera tipo ha sido definida con los siguientes parmetros: X Temperatura ..................... 15C X Pres