1-3: Estructura y circulación atmosférica

Eugene S. Takle
© 1996

La mayoría de los estudiantes que toman este curso no tienen suficiente conocimiento de ciencias atmosféricas ya que no son estudiantes de meteorología. Sin embargo, para entender como cambia el medio ambiente en nuestro planeta es necesario tener un conocimiento básico de las características de la estructura y de la circulación atmosférica. La atmósfera es una capa relativamente delgada en comparación con el radio de la Tierra, que transporta en forma rápida el calor, la humedad y los gases traza. Para comprender la atmósfera primero debemos empezar por el Sol, el cual es la fuente de energía que gobierna los sistemas de circulación atmosféricos y oceánicos.

La Tierra se mueve en una órbita elíptica alrededor del Sol. En el punto más cercano al Sol en diciembre, cuando la Tierra se encuentra a una distancia de 1.47 x 108 kilómetros, este punto se denomina perihelio. En esta época del año el Hemisferio Norte(Sur) está en invierno(verano) y es por ello que se le llama solsticio de invierno(verano). En su posición más lejana al Sol, llamada afilio, la distancia es de 1.52 x 108 kilómetros y ocurre en junio, durante el verano(invierno) del Hemisferio Norte(Sur) y se le llama solsticio de verano(invierno). Los puntos medios entre solsticios se denominan equinoccios durante los meses de marzo y setiembre. La excentricidad de esta órbita elíptica es de 0.016 aproximadamente. El plano del ecuador de la Tierra esta inclinado un ángulo de 23.5° con respecto al plano de su órbita alrededor del Sol.

Afelio y Perihelio terrestres. (Lutgens, F.K., and Tarbuck E. J., 1986: The Atmosphere: An Introduction to Meteorology. Reprinted by permission of Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J., 07458.)

El sistema Tierra-Atmósfera-Océano puede ser considerado como una gran máquina termodinámica que toma su energía del Sol, la convierte en otras formas de energía y luego la devuelve al espacio exterior. La intensidad de la radiación solar que llega al tope de la atmósfera es de 1380 Wm-2. La mayoría de esta radiación llega a la Tierra en latitudes cercanas al ecuador. Un cálculo simple muestra que la potencia de esta máquina es de 1.76 x 1011 megawatts aproximadamente. Una planta de generación de energía de una ciudad grande produce cerca de 100 megawatts, o sea que el Sol suministra el equivalente de 2 mil millones de estas plantas.

Potencia suministrada por el Sol.

La energía solar es absorbida principalmente en las regiones de latitudes bajas (trópicos y subtrópicos). Esta energía es transmitida como energía térmica o calor latente, en forma de vapor de agua, desde los trópicos hacia las regiones polares. Eventualmente, esta energía es irradiada de nuevo al espacio exterior en una cantidad igual a la que entró, dejando el sistema Tierra-Atmósfera-Océano en equilibrio termodinámica. El calentamiento global, que se discutirá posteriormente, no significa que la atmósfera esta ganando mas energía que la que pierde, sino mas bien un cambio en la distribución de energía en la atmósfera. No se observa que la tierra se caliente o enfrié rápidamente, es mas, si cambiáramos la composición de las gases de la atmósfera terrestre no cambiaríamos el hecho de que la tierra pierde la misma cantidad de energía que recibe. Cuando cambiamos los gases en la atmósfera terrestre cambiamos el proceso de distribución: la superficie se calienta y la estratosfera se enfría.

Transporte y radiación de energía.

Debido a la absorción diferencial entre las zonas tropicales y polares se produce un flujo neto de energía en la atmósfera y el océano. El agua oceánica se calienta en las regiones tropicales y se mueve hacia las regiones polares por medio de las corrientes como la Corriente del Golfo en las afueras de la costa este de EUA. Esta transporta grandes cantidades de calor desde bajas latitudes hacia altas latitudes. Si no fuera por la Corriente del Golfo, Escandinavia seria 10°C mas frío de lo que es ahora. En la atmósfera, la energía también se mueve hacia el polo por medio del ciclo de la circulación global. Una forma de llevar esta energía desde latitudes bajas hasta las altas es a través del calor latente mediante el transporte de vapor de agua. Este vapor se condensa y cede la misma cantidad de energía que fue usada para su evaporación en los trópicos. Las regiones polares pierden mas energía hacia el espacio que aquella que reciben del Sol, o sea que la diferencia se compensa por el transporte de energía desde latitudes bajas hacia las altas.

Flujo de radiación vs. latitud.

Los océanos cubren el 71% de la superficie terrestre y el restante 29% de esta superficie se encuentra sobre el nivel del mar, aproximadamente el 90% de ultimo se encuentra en el Hemisferio Norte. Es interesante resaltar que en la región polar del Hemisferio Sur la Antártida forma un continente casi circular centrado en el polo, situación que no existe en el Hemisferio Norte.

El gráfico de la temperatura del aire cercana a la superficie de la Tierra para el mes de enero presenta líneas de igual temperatura llamadas isotermas. Estas por lo general concuerdan con las líneas de latitud que van de este a oeste, particularmente en el Hemisferio Sur. En ambos hemisferios, sobre las regiones continentales, estas líneas se desplazan hacia el Sur. Durante esta época el Hemisferio Sur esta en verano y la tierra esta mas caliente que el océano debido a que la tierra absorbe mas energía que el agua. Por ello las personas se refrescan en el océano durante los días calurosos del verano. En el Hemisferio Norte, enero corresponde al invierno y el desplazamiento de las isotermas hacia el Sur significa que la tierra esta mas fría que el agua a la misma latitud.

Temperatura mundial al nivel del mar para enero. (After Howard J. Critchfield, General Climatology, 3rd ed., 1974 by Prentice-Hall,Inc.)

Las temperaturas promedio para julio muestran isotermas que se desplazan hacia el norte en ambos hemisferios en repuesta al mayor calentamiento que tiene el agua a la misma latitud en el Hemisferio Norte y al mayor enfriamiento del agua en el Hemisferio Sur.

Temperatura mundial al nivel del mar para julio. (After Howard J. Critchfield, General Climatology, 3rd ed., 1974 by Prentice-Hall, Inc.)

La distribución vertical de la temperatura a nivel global indica que la superficie de la tierra tiene una temperatura de aproximadamente 288 Kelvin o 15°C. Existe una disminución de la temperatura con la altura desde la superficie hasta aproximadamente unos 10 km. Este nivel se llama tropopausa y es el limite superior de la troposfera. Por encima de este nivel se encuentra la estratosfera. En esta capa la temperatura permanece constante a -55°C hasta la altura de los 20 km. Sobre este nivel la temperatura aumenta con la altura hasta la estratopausa a unos 50 km. Este esquema del perfil de la temperatura es muy idealizado. Sobre las regiones polares la tropopausa es de solo 8 km y sobre los tropicos alcanza cerca de los 17 km. Es interesante notar también que la temperatura mas fría de la tropopausa esta sobre los trópicos y es de aproximadamente -80°C.

Estructura y perfil vertical de la temperatura en la atmósfera.

Esta estructura de la temperatura es muy importante para entender como se mueven los gases traza y la humedad en la atmósfera. El aire en la atmósfera esta bastante bien mezclado. La humedad, los contaminantes y los gases traza que entran en la atmósfera se mezclan bastante bien en la troposfera en un plazo de 2 o 3 días y los procesos que producen la precipitación usualmente remueven las partículas solubles de la troposfera en 1 o 3 semanas. Sin embargo, si estos materiales llegan a la estratosfera, permanecen por alrededor de 1 o 3 años. Por ejemplo, los residuos de los fuegos de los pozos petroleros de Kuwait durante la Guerra del Golfo se removieron de la atmósfera antes de que se trasladaran muy lejos desde su lugar de origen. Por el contrario, las cenizas de la erupción del volcán Pinatubo en Filipinas en 1991, lanzo grandes cantidades de polvo hacia la estratosfera y redujo los niveles de la luz solar incidente sobre la superficie por alrededor de 3 años. El hecho de que la estratosfera sea una región muy estable y que no facilite la mezcla será importante posteriormente cuando se discuta el tema del ozono.

En resumen, las regiones tropicales reciben mas energía por unidad de tiempo que las regiones polares y la energía se redistribuye alrededor del planeta por los movimientos de la atmósfera y el océano. Para comprender como sucede esto, necesitamos ver el efecto de la rotación de la tierra sobre el movimiento de la atmósfera y el océano. Si nosotros no tomáramos en cuenta el hecho de que la tierra rota sobre su propio eje, el exceso de energía en las regiones tropicales causaría un calentamiento del aire y por lo tanto disminuiría su densidad y subiría. Conforme este se elevara sobre la superficie terrestre, seria reemplazado por el aire que viene de los polos. Sobre Norte América, se experimentaría a nivel de superficie un viento persistente del Norte fluyendo hacia los trópicos, en donde se elevaría para posteriormente dirigirse hacia los polos en niveles altos. Por ultimo, descendería hacia la superficie y retornaría de nuevo hacia los trópicos.

Circulación Global de una Tierra que no rota. (Lutgens, F.K., and Tarbuck E. J., 1986: The Atmosphere: An Introduction to Meteorology. Reprinted by permission of Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J., 07458.)

Sin embargo, cuando observamos los movimientos relativos a algún punto fijo sobre la Tierra, vemos que la rotación de la tierra crea una fuerza "aparente" sobre los fluidos u objetos en movimiento. Esta fuerza se denomina Coriolis. En el Hemisferio Norte esta ejerce una fuerza tal que desvía la trayectoria hacia la derecha (a la izquierda en el Hemisferio Sur), o sea que una parcela de aire que se mueve hacia el polo Norte será deflectada hacia el Este. El aire que se mueve hacia el ecuador será deflectado hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur, resultando en unos vientos superficiales y persistentes del Nordeste en la parte ecuatorial del Hemisferio Norte y del Sudoeste en la parte ecuatorial del Hemisferio Sur. Esto crea lo que se llama una región de alta presión subtropical (cerca de los 30° a ambos lados del ecuador), en donde el aire que se mueve hacia los polos en niveles altos no va directamente hacia los mismos sino que se deflecta hacia el este y subsidie hacia la superficie de la tierra.

Cinturones de viento y presión terrestres. (Lutgens, F.K., and Tarbuck E. J., 1986: The Atmosphere: An Introduction to Meteorology. Reprinted by permission of Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J., 07458.)

A ambos lados del ecuador existen celdas de circulación que rotan en direcciones opuestas: el aire superficial se mueve hacia el polo y el aire de niveles altos se mueve hacia los trópicos. Esto provoca a un viento oeste persistente en latitudes medias (30° a 60°) al norte y sur del ecuador. Generalmente, en EUA, se registran movimientos de sistemas meteorológicos en la dirección oeste-este. En latitudes mayores a 60^o, existe una tercera celda de circulación con vientos superficiales fluyendo hacia el ecuador y hacia el polo arriba. La fuerza de Coriolis crea generalmente vientos del este sobre estas latitudes altas.

Si usted mira la animación del movimiento de las nubes (1.0 MB) de los ejercicios de Internet, usted observara movimientos de nubes de este a oeste en las regiones tropicales, mientras que aquellas en latitudes medias se mueven de oeste a este. Por supuesto que hay excepciones a este modelo simplificado de los movimientos atmosféricos, debido a la idealización de la descripción de la circulación global anteriormente analizada.

El aire ascendente de las regiones tropicales usualmente alcanza altitudes de 10 km o mas. Conforme el aire asciende se enfría, de hecho, las temperaturas mas frías en la atmósfera baja no se alcanzan en las regiones polares sino mas bien sobre los trópicos justo debajo de la estratosfera. Cuando este aire ascendente elimina la mayoría de humedad, se pueden producir precipitaciones intensas, por lo tanto el aire que se mueve hacia los polos es casi seco. Conforme este aire desciende en los cinturones de las altas presiones a los 30° norte y sur, se comprime y se calienta tal como lo hace el aire de un inflador de bicicleta al ser comprimido. Este aire caliente y seco produce una zona libre de nubes con climas soleados y secos, incluso desérticos en estas latitudes. Un vistazo rápido a los mapas de vegetación (Julio, 1995) mundiales, muestra la reducción de la vegetación en estas latitudes.

El tiempo atmosférico y el clima de latitudes medias esta dominado por el movimiento de los cinturones de vientos oestes en los Hemisferios Norte y Sur. Estas son las regiones donde se encuentran las masas de aire frío originadas en las regiones polares y el aire caliente que haciende de los trópicos. El limite entre estas dos masas de aire sobre la superficie de la tierra define la posición y características de los frentes (frentes fríos, calientes y estacionarios). En la tropopausa, este limite determina la posición de la corriente en chorro, que es una corriente de aire de alta velocidad que se mueve de oeste a este, generalmente en paralelo al limite entre las masas de aire. El aire polar denso y frío ocasionalmente se mueve hacia el ecuador arrastrando consigo el limite frontal (frente frío) en la superficie y la corriente en chorro arriba.

Relación idealizada del frente polar con respecto a los cinturones de viento y presión mundiales. (Donn, W. L., 1975: Meteorology. McGraw-Hill, Inc., New York, NY. 518 pp.)

La corriente en chorro esta relacionada con los sistemas meteorológicos a través de los patrones de convergencia y divergencia horizontales. Un esquema de la corriente en chorro muestra que las líneas de corriente se juntan en algunas regiones haciendo que la velocidad del flujo aumente. Estas regiones se relacionan con movimientos de aire descendentes hacia niveles medios y zonas de alta presión. Sobre la superficie, el aire gira en el sentido de las manecillas del reloj debido al efecto de la fuerza de Coriolis. Por otro lado, las regiones con divergencia arriba, tienden a succionar aire de la superficie formando centros de baja presión superficial. Si el aire ascendente esta caliente y húmedo, este produce nubosidad y precipitación lo cual esta normalmente asociadas con estos centros de baja presión. El pronostico del tiempo atmosférico es principalmente, predecir como se desarrollan y se mueven estos centros de baja presión. Debido a que los fenómenos meteorológicos están condicionados principalmente por el flujo de los niveles altos, los primeros modelos de pronostico desarrollados por matemáticos y meteorólogos se diseñaron para predecir las características y el movimiento de la atmósfera media en 500 hPa (como a 5-6 km sobre la superficie). Los patrones y movimientos de estas regiones brindan una idea bastante aproximada del tiempo atmosférico sobre la superficie.

Diagrama idealizado que muestra la relación entre el flujo cerca de la superficie y en niveles altos. (Lutgens, F.K., and Tarbuck E. J., 1986: The Atmosphere: An Introduction to Meteorology. Reprinted by permission of Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J., 07458.)

El flujo persistente a través de la superficie del océano hacia las regiones tropicales, mueve cantidades significativas de humedad hacia las regiones de convergencia y de movimiento vertical ascendente. Un mapa global de precipitación muestra que las regiones tropicales reciben cantidades muy grandes de precipitación a lo largo de lo que se llama la Zona de Convergencia Inter-Tropical (ZCIT). Algunas regiones reciben mas de 5 metros de lluvia al año. Los detalles acerca de la lluvia tropical serán retomados cuando analicemos de El Niño.

Distribución de la precipitación promedio anual sobre los continentes. (Trewartha, G. T., 1968: An Introduction to Climate. McGraw-Hill, Inc. New York, NY, 408 pp.)

La circulación atmosférica también controla los patrones de precipitación en los cinturones subtropicales de altas presiones cerca de los 30° al norte y sur del ecuador. El movimiento y desarrollo de las zonas de baja presión a lo largo de los limites frontales en latitudes medias también gobierna la precipitación en latitudes medias. Una comparación de los mapas globales de precipitación y vegetación revelan la importancia de las cantidades de precipitación para determinar el nivel de producción biológica. Además de este punto de vista general, nosotros podemos ver que los cambios en los patrones de circulación global y de precipitación pueden tener impactos significativos sobre la distribución de la vegetación. Volveremos a considerar estos aspectos cuando examinemos el papel del ciclo del carbono del planeta y las practicas del uso del suelo sobre grandes regiones de la superficie terrestre.

Distribución de los tipos de climas sobre los continentes. (Trewartha, G. T., 1968: An Introduction to Climate. McGraw-Hill, Inc. New York, NY, 408 pp.)

Precipitación media anual sobre el Océano Pacifico Tropical. (Adapted from R. C. Taylor, 1973: An Atlas of Pacific Islands Rainfall, Hawaii Institute of Geophysics.)

Los patrones de precipitación pueden estar dominados por procesos particulares no relacionados con la circulación global. En el Medio-Oeste de los EUA, por ejemplo, el patrón de la precipitación durante el verano es muy diferente del resto de los EUA, como se puede observar del mapa que muestra la precipitación durante el verano. Varias zonas de los EUA tienen regiones donde la precipitación ocurre durante el medio día o la tarde en respuesta al calentamiento de la superficie y a la evaporación de la humedad que con lleva al desarrollo nuboso y a la posterior precipitación. El medio oeste, por el contrario, tiene su máximo de precipitación durante la noche. Las grandes inundaciones que ocurrieron en el verano de 1993 se alimentaron de estas lluvias fuertes que cayeron después del atardecer. La razón de esto es que en el Medio-Oeste existen lo que se conoce como Complejos Convectivos Mesoescalares (MCC, por sus siglas en ingles). Estos sistemas se originan en las Grandes Planicies en la tarde y viran hacia el Medio-Oeste luego del atardecer. En lugar de disiparse luego de que el calentamiento solar desaparece, estos MCC's encuentran humedad adicional de los cinturones de corrientes en chorro de bajo nivel del sur que suministran eficientemente humedad del Golfo de México. La intensificación de este chorro luego del atardecer alimenta las tormentas eléctricas de las regiones planas y les permite mantenerse y crecer conforme se mueven a través del Medio-Oeste.

Precipitación durante las noches del verano en el Medio-Oeste de EUA.

Estos procesos regionales de precipitación no se comprenden totalmente, así como su conexión con los cambios globales. Las estimaciones de como los patrones de precipitación cambian con el calentamiento global son las que actualmente tienen asociadas las mayores incertidumbres. Debido al estrecho vinculo que existe entre los patrones de precipitación y vegetación, las proyecciones de los impactos en la agricultura y los sistemas naturales también asociadas incertidumbres asociadas grandes.

Traducido por Eric Alfaro.