practica #1
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La meteorologia es el estudio de todos los fenemenos atmosféricos. El estudio de los
fenómenos relacionados con el agua atmosférica, que son los que interesan en el
ingeniería hidrológica, se denominan hidrometeorologia.
Antes de todo, debemos tener ciertos conceptos bien claros para poder desarrollar los
temas requeridos.
Presion atmosférica: es el peso de la columna de aire que gravita sobre una
unidad de área, dividido entre dicha unidad de área.
Presion de vapor: La cantidad de vapor de agua contenida en el aire se expresa
como la presión que ejercerían si todos los otros gases estuvieran ausentes,
esto es como el peso de una columna de vapor por unidad de área. Para una
temperatura y presión dadas, siempre hay una cantidad máxima de vapor por
unidad de volumen que puede existir sin condensarse. Cuando una masa de aire
contiene esta cantidad máxima de vapor, se dice que esta saturada y la
temperatura existente en ese momento se denomica punto de rocio.
Humedad relativa: es la relación entre la presión de vapor real y la de de
saturación, expresada en porcentaje.
Humedad absoluta: es la masa de vapor de agua contenida en una unidad de
volumen de aire.
Humedad especifica: es la relación entre la masa de vapor y la de aire húmedo.
Precipitacion
Ya que tenemos estos conceptos claros debemos saber que para que se formen las
nubes, el agua que se evapora de la superficie terrestre debe elvarse hasta que la
presión y la temperatura sean las necesarias para que exista condensación, es decir,
hasta que se pueda alcanzar el punto de rocio.
Cuando una masa de aire asciende, se ve sujeta a una presión gradualmente
decreciente; entonces se expande y, al expanderse, disminuye su temperatura. Si la
temperatura disminuye lo suficiente como para quedar por abajo del punto de rocio,
puede comenzar la condensación. Esta tiene lugar al unirse varias de las pequeñas
gotas que forman las nubes para formar gotas mas grandes. Existen otros factores que
intervienen en la formación de estas gotas, cuando estas ya tienen sufiente peso para
caer bajo la acción de la fuerza de gravedad, durante su caída las gotas crecen aun
mas en virtud de su coalescencia.
En la ingeniería hidrológica interesa la cantidad de vapor de agua contenida en la
atmosfera sobre un lugar determinado y, en especial, la cantidad de lluvia que puede
generarse de ese vapor.
La humedad siempre esta presente en la atmosfera aun en los días sin nubes. Para
que ocurra la precipitación, se requiere algún mecanismo que enfria el aire lo suficiente
para que llegue de esta manera a, o cerca del punto de saturación. Los enfriamientos
de grandes masas, necesarios para que se produzan cantidades significativas de
precipitación, se logran cuando acienden las masas de aire. Este fenómeno se lleva a
abo por medio de sistemas convectivos o convergentes que resultan de radiaciones
desiguales las cuales producen calientmaiento o enfriamiento de la superficie de la
tierra y la atmosfera, o por barreras orográficas. Sin embargo, la saturación
necesariamente o conlleva la precipitación.
Cualquier producto formado por la condensación del vapor de agua atmosférico en el
aire libre o la superficie de la tierra es un hidrometeoro. Puesto que los hidrólogos están
principalmente interesados en la precipitación, únicamente se definien aca aquellos
hidrometeoros que caen. Dentro de los hidrometeoros no incluidos están la calina, la
neblina, la nieve arrastrada por el viento y el hielo.
La llovizna: consiste de pequeñas gotas de agua, cuyo diámetro varia entre 0.1 y
0.5 mm, las cuales tienen velocidades de caída tan bajas que ocasionalmente
parece que estuviesen flotando.
La lluvia: consiste en gotas de agua liquida en su mayoría con un diámetro
mayor de 0.5 mm.
La escarcha: es una capa de hielo, por lo general transparente y suve, pero que
usualmente contiene bolsas de aire, que se forma en superficies expuestas por
el congelamiento de agua superenfriada que se ha depositado en forma de lluvia
o llovizna.
La nieve: esta compuesta de cristales de hielo blancos o traslucidos,
principalmente de forma compleja, combinados hexagonalmente y a menudo
mezclados con cristales simples; algunas veces los conglomerados forman los
copos de nieve, que pueden llegar a tener varios centímetros de diámetro.
Las bolitas de nieve: también llamadas granizo suave, consisten de partículas de
hielo redondeadas, blancas u opacas, con una estructura similar a la de los
copos de nieve y de 2 a 5 mm de diámetro.
El granizo: es precipitación en forma de bolas o formas irregulares de huelo, que
se produce por nubes convectivas, la mayoría de ellas de tipo cumulonimbus.
Las bolas de hielo: están compuestas de hielo transparente o traslucido.
La precipitación lleva a menudo el nombre del factor responsable del levantamiento del
aire que produce el enfriamiento en gran escala y necesario para que se produzcan
cantidades significativas de precipitación. Por lo tanto:
La precipitación ciclónica resulta del levantamiento del aire, que converde en un
área de baja presión o ciclon. La precipitación ciclónica puede subdividirse como
frontal o no frontal
o La precipitación frontal resulta del levantamiento del aire calido a un lado
de una superficie frontal sobre aire mas denso y frio
La precipitación de frentes calidos se forma cuando el aire avanza
hacia arriba sobre una masa de aire mas frio.
La precipitación de frentes frios es de naturaleza corta y se forma
cuando el aire calido es obligado a subir por una masa de aire frio
que esta avanzando y cuya cara delantera es un frente frio.
o La precipitación no frontal es la precipitación que no tiene relación con los
frentes.
La precipitación convectiva es causada por el ascenso de aire calido mas liviano
que el aire frio de los alrededores.
La precipitación orográfica resulta del ascenso mecanico sobre una cadena de
montañas.
Los aparatos mas usuales para medir la precipitación son los pluviómetros y los
pluviografos.
Los pluviómetros están formados por un recipiente cilíndrico graduado de área
trancersal a al que descarga un embudo que capta el agua de lluvia, y cuya área
de captación es A. acostumbra colocar en el embudo un par de mallas apra
evitar la entrada de basura u objetos. El área de captación A es normalmente
diez veces mayor que el área del recipiente a, con el objeto de que, por cada
milímetro de lluvia, se deposite un centímetro en el recipiente. De este modo, es
posible hacer lecturas a simple vista hasta de una decima de milímetro de lluva,
que corresponde a un milímetro depositado en el recipiente.
Los pluviografos son semejantes a los pluviómetros, con la diferencia de que
tienen un mecanismo para producir un registro continuo de precipitación. Este
mecanismo esta formado por un tambor que gira a velocidad constante sobre el
que se coloca un papel graduado especialmente. En el recipiente se coloca un
florador que se une mediante un juego de varillas a una plumilla que marca las
alturas de precipitación en el papel. El recipiente normalmente tiene una
capacidad de 10 mm de lluvia y, al alcanzarse esta capacidad, se vacia
autoaticamente mediante un sifón. Existen otros pluviografos, como el de
resorte, que en lugar de flotador usa un resorte que se deforma con el peso del
agua y que es mas preferible cuando se mide alturas de nueve, y el de balancín,
que tiene dos recipientes colocados en un balacin, de modo que cuando uno de
ellos se llena desequilibra la balanza, que dira dejando el otro recipiente en
posición de ser llenado. En algunos aparatos el volumen de agua necesaria para
hacer girar el balancín es el correspondiente a 0.25 mm de lluvia. En este tipo de
pluviogrados, al girar el balancín se acciona un interruptor que produce un
impulso eléctrico que a su vez mueve la plumilla para registrar la altura de
precipitación correspondiente.
El registro que se obtiene de un pluviografo se llama pluviograma.
En general, la altura de lluvia que cae en un sitio dado difiere de la qe cae en los
alrededores aunque sea en sitios cercanos. Los aparatos descritos previamente
registran la lluvia puntual, es decir, la que se produce en el punto en que está instalado
el aparato y, para los calculos ingenieriles, es necesario conocer la lluvia media en una
zona dada, como puede ser una cuenca. Para calcular la lluvia media de una tormenta
dada, existen tres métodos de uso generalizado. El método aritmético, el cual consiste
simplemente en obtener el promedio aritmético de las alturas de precipitación
registradas en cada estación usada en el analisis. Otro método es el de Poligonos de
Thiessen, el cual consiste en unir mediante líneas rectas dibujadas en un plano de la
cuenca las estaciones mas próximas entre si. Con ello se forman triángulos en cuyos
vértices están las estaciones pluviométricas, luego trazar líneas rectas que bisectan los
lados de los triángulos. Por geometría, las luneas correspondientes a cada triangulo
convergerán en un solo punto; cada estación pluviométrica quedara rodeada por las
líneas rectas, que forma los llamados polígonos de Thiessen y, en algunos casos, en
parte por el partaguas de la cuenca. El área de influencia de la estación
correspondiente. La lluvia media se calcula enconces como un promedio pesado de las
precipitaciones registradas en cada estación.
Tenemos también el método de las isoyetas, el cual consiste en trazar, con la
información registrada en las estaciones, líneas que unen puntos de igual altura de
precipitación llamadas isoyetas, de modo semejante a como se trazan las curvas de
nivel en topografía.
Los métodos descritos anteriormente se han planteado cuando se requiere conocer la
altura total de precipitación que, en promedio, se produce en la cuenca durante una
tormenta. Cuando se desea conocer la variación en el tiempo de la precipitación media
en la cuenca, es necesario determinar una cuerva masa media de precipitación. Esta
curva se contruye aplicando el método aritmético o el de polígonos de Thiessen a las
alturas de precipitación acumuladas en cada estación para diferentes tiempos.
Los usos para los cuales se presume se puede utilizar la información sobre la
precipitación, deberían determinar la densidad de la red. Una res de estaciones
relativamente dispersa debería bastar para el estudio de grandes tormentas, o para
determinar promedios de grandes áreas planas.
Vientos
El viento es aire en movimiento, es un factor de gran influencia en varios procesos
hidrometeorologicos. La humedad y el calor se tranmiten con facilidad al aire y desde el
aire, el cual tiene a adoptar las condiciones de temperatura y humedad de las
superficies con las cuales tiene contacto. Es asi como el aire en reposo, en contacto
con una superficie de agua, adopta finalmente la presión de vapor de la superficie, de
modo que no se produce evaporación. De manera similar, el aire en reposo sobre
superficies de nieve o hielo, adopta eventualmente la temperatura y la presión de vapor
de la superficie, de tal forma que cesa la fusión por convección y condensación. En
consecuencia, el viene ejerce considerable influencia en los procesos de evaporación y
fision del hielo y la nieve. También es de importancia en la producción de la
precipitación, ya que solo con la entrada continua de aire húmedo a una tormenta, se
puede mantener la precipitación.
Su velocidad se mide mediante anmometros o anemógrafos y su dirección por medio
de veletas. Generalmente se llama “viento” solo al componente horizontal del
movimiento del aire, pues el vertical casi siempre es muy pequeño.
Las fuerzas que producen los vientos son fundamentalmente: la de presión, donde las
diferencias de presión entre dos puntos cualesquiera de la atmosfera producen vientos,
del mismo modo que la diferencia de presión en dos puntos de seno de un liquido
produce una corriente. Otra fuerza que produce los vientos es debido a la rotación de la
Tierra (Coriolis), es la fuerza imaginaria que produce que un proyectil lanzado al
ecuador siempre se devie hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierza
en el emisgerio sur. Tambien está la centripeda o ciclostrofica, es ka fuerza
desarrollada cuando el viento tiene una trayectoria curva, como en el caso de los
ciclones. y por ultimo la de friccion, esta actua en sentido contrario a la dirección del
viento y su magnitud depende de la naturaleza de la superfice de la tierra..
Las diferencias de presión entre dos puntos cualesquiera de la atmosfera producen
vientos, del mismo modo que la diferencia de presión en dos puntos de seno de un
liquido produce una corriente.
Durante el invierno existe la tendencia de los vientos superficiales a soplar desde las
áreas interiores mas frias de los continentes hacia el océano, que permanece a mayor
temperatura. Durante el verano, y en forma opuesta, los vientos tienden a soplar desde
los cuerpos de agua, que se mantienen a baja temperatra, hacia la superficie caliente
de las masas continentales. De manera similar, debido al contraste de temperatura
entre la masa continental y el agua, se producen brisas diurnas hacia la playa o el mar.
Las velocidades del viente son mas altas y mas variables en el invierno, mientras que
la segunda mitad del verano es el periodo mas calmado del año. La veriacion diaria del
viento es significativa solamente cerca de la superficie y es mas pronunciadadurante el
verano. La velocidad del viento superficial encuentra su minimo normalmente al
amanecer y aumente hasta encontrar su máximo temprano por la tarde. A 300 m de
altura, el máximo ocurre por la noche y el minimo durante el dia.
Evaporacion y evapotranspiración
Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica es importante conocer, por un lado,
la cantidad de agua que se pierde por evaporación en grandes depósitos, como presas,
lagos o en sistemas de conducción, y, por otro, la cantidad de agua con que es
necesario dotas a los distritos de riego, para determinar las fuentes y dimensiones de
los sistemas de abastecimiento.
Evaporacion es el proceso por el cual el agua pasa del estado liquido en que se
encuentra en los almacenamientros, conducciones y en el suelo, en las capas cercanas
a su superficie, a estado gaseoso y se transfiere a la atmosfera.
Trasnpiracion s el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas.
Esta agua es tomada por las plantas, naturalmente del suelo.
Evapotranspiracion es la combinación de evaporación y trasnpiracion.
Uso consuntivo es la combinación de evapotranspiración y el agua que las plantas
retienen para su nutrición. Por lo que los términos evapotranspiración y uso consuntivo
se usan como sinónimos.
La evaporación se produce básicamente por el aumento de energía cinetica que
experimentan las molecualas de agua cercanas a la superficie de un suelo húmedo o
una masa de agua, producido por la radiación solar, el viento y las diferencias en
presión de vapor.
Este aumento de energía cinetica provoca que algunas moléculas de agua “brinque” de
manera continua a la atmosfera. Al mismo tiempo, algunas de las moléculas que ya se
encuentran en la atmosfera se condensan y regresan al cuerpo de agua. Naturalmente,
lo que interesa en la ingeniería hidrológica es el flujo neto de partículas a la atmosfera,
al cual se le denominará en lo sucesivo evaporación.
El intercambio de moléculas descrito se forma en una pequeña zona situada junto a la
superficie del agua. La evaporación será entonces igual a la cantidad de agua que
logre salir de la zona de intercambio.
La evaporación puede medirse por medio de evaporímetros, que básicamente están
formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide,
diariamente o con la frecuencia que se estime conveniente, el cambio en el tirante.
Existen varios tipos de evaporímetros; uno de los mas comunes es el llamado clase A,
fabricado de fierro galvanizado. La altura de evaporación se mide mediante una regla
graduada, colocada dentro de un pequeño tubo aquietador. Los valores medidos deben
corregirse sumándoles la altura de precipitación registrada en el intervalo de tiempo en
la estación pluviométrica mas cercana, generalmente situada en el mismo lugar que el
evaporímetro.
El conocimiento de la evapotranspiración o uso consuntivo es un factor determinante
en el diseño de sistemas de riego, incluyendo las obras de almacenamiento,
conducción, distribución y drenaje. Especialmente, el volumen útil de una presa para
abastecer a una zona de riego depende en gran medida del consuntivo. De los
métodos existentes para el calculo del uso consuntivo podemos mencionar el de
Thorntwaite y el d eBlaney-Criddle. El primero, por tomar en cuenta solo la temperatura
media mensual, arroja resultados estimados que pueden usarse únicamente con
estuidos preliminares o de gran visión, mientras que el segundo es aplicable a casos
mas específicos.
Radiaccion Solar y Terrestre
La radiaccion solar es la fuente principal de energía de nuestro planeta y determina sus
características climatológicas. Tanto la tierra como el sol irradian energía como cuerpos
negros, es decir, emiten para cada longitud de onda, cantidades de radiación cercanas
a las máximas teóricas para cuerpos con sus temperaturas.
La longitud de onda de la radiación se miden en micrones (μm) (10−6 cm) o en
angstroms (A) (10−10m). La máxima energía de la radiación solar esta en el rango visible
de 0,4 a0,8μm, mientras que la radiación de la tierra esta concentrada alrededor de
10 μm. La radiación solar es de onda corta y la radiación de la tierra es de onda larga.
La constante solar es la tasa a la cual llega la radiación solar a las capas superiores de
la atmosfera sobre una superficie normal a la radiaacion incidente y a una distancia
igual a la distancia media entre el sol y la tierra.
Una gran parte de la radiación solar que llega a los límites superiores de la atmosfera,
es dispersada y absorbida en la atmosfera, o se refleja en las nubes y en la superficie
de la tierra. La dispersión de la radiación por las particualas de aire es mas efectiva
para longitudes de onda muy cortas.
Cerca de la mitad de la radiación incidente sobre las capas superiores de la atmosfera
eventualmente llega a la superficie de la tierra. La mayoría es absorbida, pero parte de
ella es reflejada a la atmosfera y al espacio. El albedo * de la superficie de la tierra varia
dependiendo de la altitud solar y el tiempo de superficie; es menor para superficies con
suelo húmedo que para suelos secos y tiende a disminuir con la altitud solar.
La superficie de la tierra produce radiaciones en forma casi idéntica a la de un cuerpo
negro (teorico) con una temperatura promedio de 15oC. La perdida neta de calor se
evita y el balance de calor se mantiene debido a que la atmosfera refleja hacia la
superficie cerca del 85% de la radiación emitida. De no ser por este fenómeno (efecto
de invernadero) la temperatura promedio de la tierra seria cercana a -40oC.
*El albedo es la relacion entre la cantidad de radiacion solar reflejada por una superficie y la cantidad incidente sobre él, comúnmente se expresa como un porcentaje. El albedo es la reflectibilidad para el rango de radiación solar o visible.
Los instrumentos que miden la intensidad de energía radiante tienen el nombre
genérico de radiante de actinmetros y radiómetros. Hay cinco tipos de estos aparatos:
Pirheliometro: para medir la intensidad directa de la radiación solar.
Piranometro: Para medir la radiación hemisférica de onda corta, o sea, la
intensidad combinada de la radiación solar directa y la radiación difusa del cielo.
Pirogeometro: para medir radiación hemisférica de onda largal usado con la cara
para arriba mida la radiación atmosférica y boca abajo mide la radiación terrestre
y la radiación atmosférica reflejada.
Pirradiometro, o radiometro hemisférico total: para medir radiación de cualquier
longitud de onda; con la cara hacia arriba mida la radiación hemisférica de onda
larga mas la radiación global, e invertido, boca abajo, mide la radiación terrestre
y la radiación atmosférica reflejada mas la radiación solar reflejada.
Pirradiometro neto o radiómetro neto: para medir el flujo de radiación neto para
todas las longitudes de onda.
Humedad
El proceso por el cual el agua en estado liquido se convierte en vapor se llama
evaporación. Las moléculas de agua que poseen suficiente energía cinetica para
vencer las fuerzas de atracción que tienden a retenerlas dentro de la masa liquida son
proyectadas a través de la superficie de agua. Como la energía cinetica aumenta y la
tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura del agua, la evaporación
aumenta al incrementarse la temperatura. El proceso por medio del cual un solido es
transformado directamente al estado faseoso, y viceversa, se llama sublimación.
En cualquier mezcla de gases, cada gas ejerce una presión parcial independiente de
los otros gases. La presión parcial ejercida por el vapor de agua se denomina presión
de vapor. Si todo el vapor de agua de una muestra de aire húmedo con presión inicial p
contenido en un recipiente cerrado se remueve, la presión final p’ del aire seco será
inferior a p. La presión de vapor e seria la diferencia entre las presiones ejercidas por el
aire húmedo y el aire seco o p - p’.
Cuando un espacio dado contiene la máxima cantidad de vapor de agua para una
temperatura determinada, se dice que el espacio esta saturado.La presión ejercida por
el vapor de agua en un espacio saturado se llama presión de vapor de saturación, la
cual es, la máxima presión de vapor posible a una temperatura dada.
El proceso por el cual el vapor pasa al estado liquido o solido se denomina
condensación. En un espacio en contacto con una superficie de agua, los procesos de
condensación y evaporación ocurren simultaneamentre. Si el espacio no esta saturado,
la tasa de evaporación excederá la tasa de condensación, lo cual da como resultado
una evaporación neta.
La evaporación remueve calor del liquido que se evapora, mientras la condensación
cede calor. Se llama calor latente de evaporación la cantidad de calor absorbida por
unidad de masa de una sustancia al pasar del estado liquido al gaseoso sin cambiar su
temperatura. El cambio del estado gaseoso al liquido libera una cantidad de calor
equivalente.
El calor latente de fusión para el agua es la cantidad de calor requerido para convertir
un gramo de hielo en agua liquida a la misma temperatura.
Calor latente de sublimación para el agua es la cantidad de calor necesaria para
convertir un gramo de hielo en vapor a la misma temperatura sin pasar por el estado
intermedio liquido.
Punto de rocio es la temperatura a la cual un espacio se satura al enfriar el aire a
presión constante y con un contenido de vapor de agua constnte. Es la temperatura
que tiene una presión de vapor de saturación igual a la presión de vapor existente e.
Comunmente, la medición de la humedad en las capas atmosféricas en contacto con la
superficie se lleva a cabo por medio de un psicrómetro, el cual consiste en dos
termómetros, uno de los cuales tiene su ampolla cubierta con una funda de muselina
limpia empapada de agua. Los termómetros se ventilan por rotación o con fuelles.
Debido al enfriamiento producido por la evaporación, el termómetro humedecido, o
termómetro húmedo, marca una temperatura menor que el termómetro seco; esta
diferencia en grados se conoce con el nombre de depresión del termómetro húmedo.
Las temperaturas de aire y del termómetro húmedo se utilizan para obtener varias
expresiones de la humedad por medio de las tablas psicrometricas.
El higrómetro de cabello aprovecha la variación en longitud que experimenta el cabello
con los cambios en la humedad relativa. Estos cambios se transmiten a na aguja que
marca la humedad relativa en una escala graduada. El higrografo de vabello es un
higrómetro de cabello que acciona una pluma o marcador dejando un registro continuo
en un papel especial. El higrotermografo combina las propiedades del higrogafo de
cabello y del termógrafo, registrando de manera continua la humedad relativa y la
temperatura en una carta. El hidrómetro de punto de rocio que mide directamente el
punto de rocio y se emplea especialmente en laboratorios, es un recipiente de metal
cuidadosamente publido que contiene un liquido en el momento en que empieza la
condensación en el exterior del recipiente metalico es el punto de rocio. El higrómetro
de celda mide el punto de rocio regulando la temperatura de una solución acuosa de
cloruro de litio de tal manera que la presión del vapor de agua de la solución sea igual a
la presión de la atmosfera que la rodea. El higrómetro espectal mide la absorción
selectiva de luz en ciertas bandas del espectro del vapor de agua. Con el sol como
fuente de luz, se ha utilizado para medir la humedad total de la atmosfera. Se han
desarrollado otros instrumentos para medir la humedad en condiciones especiales y
por lo tanto no se usan en actividades de rutina.
La medición de la humedad es uno de los procedimientos instrumentales menos
precisos en meteorología.
La humedad atmosférica tiende a disminuir al aumentar la latitud; pero la humedad
relativa, al ser una función inversa de la temperatura, tiende a aumentar. La humedad
atmosférica es mayor sobre los océanos y disminuye hacia el interior de los continenes.
También disminuye con la elevación y es mayor sobre suelo con vegetación que sobre
suelo árido.
En forma similar a la temperatura, el contenido de vapor de agua en la atmosfera
alcanza su minimo en el invierno y su máximo en el verano. En el hemisferio norte los
meses mas secos son enero y febrero, y los mas húmedos julio y agosto. En latitudes
medias y altas el promedio mensual de agua precipitable sobre áreas continentales en
los meses mas secos es cercano a la mitad del promedio anual; en los meses mas
húmedos es cerca del doble del promedio anual. La variación mensual esmenos
pronunciada en los océanos y zonas costeras y minima en mares tropicales. A
diferencia del contenido de vapor de agua, la humedad relatica tiene su minimo en
verano y su máximo en invierno.
La variación diruna del contenido de humedad en la atmosfera es normalmente
pequeña, excepto cuando brisas continentales o marinas traes consigo aire con
características diferentes. Cerca de la superficie de la tierra, la condenación de rocio
durante la noche y la reevaporacion durante el dia dan como resultado un contenido de
humedad minimo cerca al alba y máximo al medio dia. La humedad relativa, como es