sábado, 30 de enero de 2016

Climatología

Magnitudes meteorológicas, climatológicas y atmosféricas


El ISUV1 (sigla de Intensidad de Radiación Solar Ultravioleta), según el Servicio Meteorológico Nacional,2 de Argentina, corresponde al máximo valor esperado de la intensidad de la radiación solar ultravioleta (alrededor del mediodía solar) en condiciones de cielo despejado. Esta varía día a día muy lentamente ya que depende de la radiación solar (radiación UV-A y UV-B) que diariamente llega a la superficie de la tierra y de la evolución de la capa de ozono. Mientras que ISUVn corresponde al mínimo valor esperado para esta radiación, bajo la sombra de las nubes pronosticadas, es por esto que puede variar bruscamente de un día a otro ya que depende de la ISUV y de la nubosidad que se espera se registre durante el mediodía solar de ese día. En zona de montaña y con nieve el índice debe incrementarse en una calificación (salvo el extremo). Este índice da indicación del riesgo de sobre-exposición al Sol con valores y calificaciones, relacionados con el tiempo mínimo para el enrojecimiento y eventual quemadura de la piel.










El langley (Ly) es una unidad utilizada para medir la radiación solar o insolación que llega a la parte superior de la atmósfera de la Tierra o a la superficie de la Tierra en un día o en un mes:
1\ \text{Ly} = 1\ \frac{\text{cal}}{\text{cm}^2}
Esta unidad recibe su nombre como homenaje a Samuel Pierpont Langley (1834-1906).
Para medir la insolación en un mes se usa el kilolangley:
1\ \text{kLy}= 10^3\ \text{Ly}
La unidad en el sistema internacional es el julio por metro cuadrado, muy pequeño para su uso:
1\ \frac {\text{J}}{\text{m}^2} =2,\!4 \cdot 10^{-5}\ \text{Ly}
Un múltiplo es:
1\ \frac {\text{kJ}}{\text{m}^2} =2,\!4 \cdot 10^{-2}\ \text{Ly}
1\ \text{Ly} = 41,\!8\ \frac{\text{kJ}}{\text{m}^2}
Una unidad práctica es el kilovatio-hora por metro cuadrado:
1\ \frac{\text{kWh}}{\text{m}^2} =86,4\ \text{Ly}
1\ \text{Ly} = 11,62\ \frac{\text{kWh}}{\text{m}^2}



  • La insolación anual en la parte alta de la atmósfera a diferentes latitudes es:
    • Para el polo la insolación anual es 133,2 kilolangleys/año.
    • En el ecuador asciende a 320,9 kilolangleys/año donde el kilolangley=1000 langleys.










La oscilación térmica o amplitud térmica es la diferencia numérica entre los valores máximos y mínimos de temperatura observado en un punto dado durante un período de tiempo (p. ej.: dado un día, un mes, un año o un siglo)1 2 o por la media3 (la media de todos los rangos de temperatura durante un período de tiempo). La variación en temperatura que ocurre entre el momento más caluroso del día y el momento más frío de la noche se le denomina variación de temperatura diurna.

El valor de la oscilación térmica a nivel de suelo depende de los siguientes factores:
  • La temperatura media
  • La humedad media
  • El régimen de vientos (intensidad, duración, variación, temperatura, etc.)
  • La proximidad de grandes cuerpos de agua, como el mar.

Este dato, normalmente se utiliza en la investigación de la atmósfera y del océano de una zona geográfica determinada. En general, los climas que corresponden a zonas costeras o cercanas al mar presentan oscilaciones térmicas bajas, por los efectos moderadores o suavizadores de la masa hídrica. Por el contrario los climas de zonas interiores o continentales suelen presentar una fuerte oscilación térmica tanto diaria como anual, con la excepción de las zonas ecuatoriales o tropicales, dónde las altas temperaturas son constantes.
Puede considerarse como amplitud térmica baja aquella inferior a 10 °C, media entre 10 a 18 °C, alta superior a los 18 °C, e insignificante la menor de 5 °C.

Mapa de la oscilación térmica anual a nivel global.








La presión atmosférica es la fuerza por unidad de área que ejerce el aire sobre la superficie terrestre.
La presión atmosférica en un punto que coincide numéricamente con el peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera. Como la densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura, no se puede calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la variación de la densidad del aire ρ en función de la altitud z o de la presión p. Por ello, no resulta fácil hacer un cálculo exacto de la presión atmosférica sobre un lugar de la superficie terrestre. Además tanto la temperatura como la presión del aire están variando continuamente, en una escala temporal como espacial, dificultando el cálculo. Se puede obtener una medida de la presión atmosférica en un lugar determinado pero de ella no se pueden sacar muchas conclusiones; sin embargo, la variación de dicha presión a lo largo del tiempo, permite obtener una información útil que, unida a otros datos meteorológicos (temperatura atmosférica, humedad y vientos) puede dar una imagen bastante acertada del tiempo atmosférico en dicho lugar e incluso un pronóstico a corto plazo del mismo.
La presión atmosférica en un lugar determinado experimenta variaciones asociadas con los cambios meteorológicos. Por otra parte, en un lugar determinado, la presión atmosférica disminuye con la altitud, como se ha dicho. La presión atmosférica decrece a razón de 1 mmHg o Torr por cada 10 m de elevación en los niveles próximos al del mar. En la práctica se utilizan unos instrumentos, llamados altímetros, que son simples barómetros aneroides calibrados en alturas; estos instrumentos no son muy precisos.
La presión atmosférica también varía según la latitud. La menor presión atmosférica al nivel del mar se alcanza en las latitudes ecuatoriales. Ello se debe al abombamiento ecuatorial de la Tierra: la litósfera está abultada en el ecuador terrestre, mientras que la hidrósfera está aún más abultada por lo que las costas de la zona ecuatorial se encuentran varios km más alejadas del centro de la Tierra que en las zonas templadas y, especialmente, en las zonas polares. Y, debido a su menor densidad, la atmósfera está mucho más abultada en el ecuador terrestre que la hidrósfera, por lo que su espesor es mucho mayor que el que tiene en las zonas templadas y polares. Por ello, la zona ecuatorial es el dominio permanente de bajas presiones atmosféricas por razones dinámicas derivadas de la rotación terrestre. También por ello, la temperatura atmosférica disminuye en la zona templada un grado por cada 154 m de altitud en promedio, mientras que en la zona intertropical esta cifra alcanza unos 180 m de altitud.
La presión atmosférica normalizada, 1 atmósfera, fue definida como la presión atmosférica media al nivel del mar que se adoptó como exactamente 101 325 Pa o 760 Torr. Sin embargo, a partir de 1982, la IUPAC recomendó que si se trata de especificar las propiedades físicas de las sustancias la "presión normalizada" debía definirse como exactamente 100 kPa o (≈750,062 Torr). Aparte de ser un número redondo, este cambio tiene una ventaja práctica porque 100 kPa equivalen a unaaltitud aproximada de 112 metros, que está cercana al promedio de 194 m de la población mundial.

Historia

El experimento de Torricellicon un tubo ymercurio.
En la antigüedad estaban lejos de sospechar el peso del aire. Lo consideraban como un cuerpo que por su naturaleza tendía a elevarse; explicándose la ascensión de los líquidos en las bombas por el horror vacui, «horror al vacío», que tiene la naturaleza.
Cuando unos jardineros italianos quisieron elevar agua aspirando con una bomba de hélice, apreciaron que no podían superar la altura de 10,33 m (cerca de 34 pies). Consultado Galileo, determinó este que el horror de la naturaleza al vacío se limitaba con una fuerza equivalente al peso de 10,33 m de agua (lo que viene a ser 1 atm de presión), y denominó a dicha altura altezza limitatíssima.
En 1643, Torricelli tomó un tubo de vidrio de un metro de longitud y lo llenó de «plata viva» (mercurio). Manteniendo el tubo cerrado con el dedo, lo invirtió e introdujo en una vasija con mercurio. Al retirar el dedo comprobó que el metal descendía hasta formar una columna cuya altura era 13,6 veces menor que la que se obtenía al realizar el experimento con agua. Como sabía que el mercurio era 13,6 veces más pesado que el agua, dedujo que ambas columnas de líquido soportaban el mismo contrapeso, sospechando que solo el aire era capaz de realizar dicha fuerza.
Luego de la temprana muerte de Torricelli, llegaron sus experimentos a oídos de Pascal, a través del Padre Mersenne que los dio a conocer por medio de un tratado, actualmente depositado en París.[cita requerida] Aunque aceptando inicialmente la teoría del horror al vacío, no tardó Pascal en cambiar de idea al observar los resultados de los experimentos que realizó. Empleando un tubo curvado y usándolo de forma que la atmósfera no tuviera ninguna influencia sobre el líquido, observó que las columnas llegaban al mismo nivel. Sin embargo, cuando permitía la acción de la atmósfera en uno de los ramales, el nivel variaba.
Barómetro de mercurio, como el empleado por Pascal para medir la presión atmosférica
Estos resultados le indujeron a abordar el experimento definitivo, consistente en transportar el barómetro a distintas altitudes y comprobar si era realmente el peso del aire el que determinaba la ascensión del líquido en el tubo. Al escribir a Perier, uno de sus parientes, el 15 de noviembre de 1647 acerca del experimento proyectado, decía:
Si sucede que la altura de la plata viva es menor en lo alto de la montaña que abajo, se deducirá necesariamente que la gravedad y presión del aire son la única causa de esta suspensión de la plata viva, y no el horror al vacío, porque es verdad que hay mucho más aire que pese al pie de la montaña que en su vértice.
El 19 de septiembre de 1648, Pelier cumplió el deseo de su cuñado y realizó el experimento ascendiendo a la cima del Puy-de-Dôme. Comparando la medida realizada en la cima, situada a una altura de 500 toesas (cerca de 1000 m), con la de base, tomada por el padre Chastin, hallaron una diferencia de tres líneas y media entre ambas. La idea del horror vacui quedó definitivamente abandonada: el aire pesaba.
Sin dudar del mérito de la realización del experimento, sin embargo Descartes fue quien, en carta escrita en 1638, 12 años antes del experimento de Torricelli, afirmaba ya que:
El aire es pesado, se lo puede comparar a un vasto manto de lana que envuelve la Tierra hasta más allá de las nubes; el peso de esta lana comprime la superficie del mercurio en la cuba, impidiendo que descienda la columna mercurial.
No obstante, el concepto de presión atmosférica no empezó a extenderse hasta la demostración, en 1654, del burgomaestre e inventor Otto von Guericke quien, con sus hemisferios de Magdeburgo, cautivó al público y a personajes ilustres de la época.

Presión atmosférica y altura

La altura modifica tanto la temperatura como la presión atmosféricas al modificarse la densidad del aire. El fenómeno es muy sencillo: el aire se calienta en contacto con la superficie terrestre, tanto en la parte sólida como en la superficie de los océanos y mares, especialmente, en este último caso. Al calentarse el aire se eleva porque disminuye de densidad y por lo tanto, de presión y asciende hasta equilibrarse la densidad de la columna ascendente del aire con su entorno a un nivel superior. Sin embargo, la comprensión de este proceso es mucho más compleja, ya que las variaciones de la presión no varían exclusivamente con la altura sino con otros factores como son la mayor o menor humedad y con la latitud, que modifica sustancialmente el mayor o menor espesor de la atmósfera por razones dinámicas: este espesor es máximo en la zona ecuatorial debido a la fuerza centrífuga de la rotación terrestre en dicha zona y, por ende, menor en los polos. La relación entre densidad del aire y la altura dio origen al invento del altímetro, que no es sino un barómetro aneroide graduado en metros de altitud en lugar de unidades de presión atmosférica. Pronto se vio que al trasladar el altímetro a lo largo de un meridiano también variaba la presión atmosférica, incluso aunque nos encontrásemos siempre al nivel del mar. La conclusión lógica era que la altura del nivel del mar varía según la latitud, siendo mayor la altura (y por lo tanto, menor la presión), a lo largo del ecuador terrestre, que forma la circunferencia terrestre formada por los puntos más alejados del centro de la tierra señalando con ello lo que se conoce como el abultamiento ecuatorial de nuestro planeta.

Estabilidad e inestabilidad atmosférica

Confluencia del río Tapajós con el Amazonas, mostrando en los cauces y llanuras de inundación respectivas una casi absoluta falta de nubes, lo que indica una zona de estabilidad atmosférica o anticiclónica por el descenso del aire pesado. Esta zona anticiclónica que coincide con el curso de los ríos se debe al fenómeno de la diatermancia.
Cuando el aire está frío, desciende, haciendo aumentar la presión y provocando estabilidad barométrica o anticiclónica: se forma así una zona de calmas, es decir, sin vientos, ya que el aire frío y pesado que desciende lentamente en sentido circular y comienza a girar casi imperceptiblemente en sentido horario en el hemisferio norte y antihorario en el hemisferio sur. Se forma, entonces, un anticiclón. Cuando el aire está caliente, asciende, haciendo bajar la presión y provocando inestabilidad. Se forma así un ciclón o borrasca.
Además, el aire frío y el cálido no se mezclan de manera inmediata, debido a la diferencia de densidades; y cuando se encuentran en superficie, el aire frío empuja hacia arriba al aire caliente provocando un descenso de la presión e inestabilidad, por causas dinámicas. Se forma entonces un ciclón, o borrasca dinámica. Esta zona de contacto es la que se conoce como frente.
Un caso muy especial de estabilidad e inestabilidad meteorológicas se presenta durante las horas de la mañana en los grandes ríos y sus zonas de inundación, como puede verse en la imagen satelital de la confluencia del río Tapajós (al sur, identificado por el color oscuro de sus aguas, que indica escasez de sedimentos en suspensión y alta proporción de ácidos húmicos procedentes de la vegetación) con el Amazonas, con aguas de color claro por la gran cantidad de sedimentos arcillosos que contiene. Como se puede ver, la zona anticiclónica no tiene la forma circular típica sino que se adapta a la forma de los ríos. Y la razón de ello, explicada por el fenómeno de la diatermancia es que el agua de los ríos y del suelo a su alrededor, absorbe la radiación solar en horas de la mañana, lo que impide el calentamiento del aire en la zona donde hay agua, bien sea en el cauce o en los suelos a su alrededor. Y durante la noche, el agua está más caliente que el aire y es entonces cuando se forman las nubes que ascienden, invirtiéndose la situación (con nubes en la zona fluvial y sin ellas en las áreas circundantes). Puede verse también que en la zona donde se ha desforestado la selva tampoco hay nubes, ya que la existencia de agua en los suelos no está directamente relacionada con la vegetación sino con la cantidad de agua en el suelo el cual, en las áreas inmediatas a los ríos está permenentemente asegurada por la alimentación freática del propio suelo.

Presión atmosférica


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La caricatura ilustra "el peso de la atmósfera"
Si sobre una mesa se coloca un objeto pesado, el peso de ese cuerpo ejerce sobre la superficie de la mesa una cierta presión. Del mismo modo, aunque el aire no es un material muy pesado, la enorme cantidad de aire atmosférico que existe sobre un punto de la Tierra hace que su peso total sea lo suficientemente grande como para que la presión que ejerce sobre ese punto tenga una gran magnitud.
Ese valor de la presión sobre cualquier punto de la superficie terrestre, que ejerce toda la masa de aire atmosférico, recibe el nombre de presión atmosférica.
Presión atmosférica: Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre.


Algo importante que debemos considerar. Ya vimos, por el ejemplo inicial, que todo cuerpo genera una presión, pero esta presión que ejerce depende de su estado (sólido, líquido o gaseoso).
Los sólidos generan presión solo hacia abajo. Los líquidos generan presión hacia todos sus costados y hacia abajo. Y los gases generan presión por todo su derredor; o sea, hacia arriba, hacia todos sus costados y hacia abajo, por la propiedad más importante que los caracteriza: tienden a ocupar todo el espacio que los contiene.
La existencia de la presión atmosférica es evidente, por ejemplo, cuando se utiliza una ventosa: al comprimirla contra el vidrio eliminando el aire de su interior al soltarla recobra su forma, pero ahora la presión atmosférica la mantiene apretada contra la superficie del vidrio.
El aire atmosférico pesa
A  nivel del mar un litro de aire pesa 1,293 gramos. En un punto cualquiera la presión atmosférica viene dada por el peso de una columna de aire cuya base es 1 cm2 y la altura la distancia vertical entre el punto y el límite de la superficie libre de la atmósfera. 
La presión atmosférica normal equivale a la que ejerce a 0º C y a nivel del mar una columna de mercurio de 76 cm de altura. Ese valor se toma como unidad práctica de presión y se denomina atmósfera. (Ver Experimentos sobre la presión del aire)
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Unidades de Presión
La presión atmosférica se suele expresar en mm de mercurio (milímetros de mercurio) o torricelli, diciéndose que la presión normal, a nivel del mar es de 760 mm de Hg. Este valor se llama también una atmósfera. Sin embargo, los “hombres del tiempo” suelen utilizar otra unidad para medir la presión: el milibar.
En cualquiera de las unidades, la presión que se considera normal a nivel del mar tiene un valor de 1 atmósfera o, lo que es lo mismo, 760 mm de Hg ó 1.012,9 milibares.
Medición de la presión
Para medir la presión de un fluido se utilizan manómetros. El tipo más sencillo demanómetro es el de tubo abierto.  Se trata de un tubo en forma de U que contiene un líquido, hallándose uno de sus extremos a la presión  que se desea medir, mientras el otro se encuentra en comunicación con la atmósfera.
Para la medición de la presión atmosférica se emplea el barómetro, del que existen diversos tipos. El barómetro de mercurio, inventado por Torricelli, es simplemente un tubo en forma de U con una rama cerrada en la que se ha hecho el vacío, de manera que la presión en la parte más elevada de esta rama es nula.
Presión atmosférica y altura
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Como la presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un cierto punto de la superficie terrestre, es lógico suponer que cuanto más alto esté el punto, tanto menor será la presión, ya que también es menor la cantidad de aire que hay en su cima.
Por ejemplo, en una montaña la cantidad de aire que hay en la parte más alta es menor que la que hay sobre una playa, debido a la diferencia de nivel.
Tomando como referencia el nivel del mar, donde la presión atmosférica tiene un valor de 760 mm, se comprueba que, al medir la presión en la cumbre que se encuentra a unos 1.500 metros sobre el nivel del mar, la presión atmosférica vale aproximadamente 635 mm; es decir, la presión disminuye con la altura.
De acuerdo a lo anterior, cuanto mayor sea la altura de la superficie terrestre respecto al nivel del mar, menor es la presión del aire, puesto que la columna de vidrio del barómetro que queda por encima también es menor. Dicho de otro modo:
La presión atmosférica disminuye con la altura
La disminución que experimenta la presión con la altura no es directamente proporcional puesto que el aire es un fluido que puede comprimirse mucho, por lo que las masas de aire más próximas al suelo están comprimidas por el propio peso del aire de las capas superiores y son, por tanto, más densas. Así, cerca del nivel del mar un pequeño ascenso en altura supone una gran disminución de la presión, mientras que a gran altura hay que ascender mucho más para que la presión disminuya en la misma medida.
Efectos de la altura en el organismo
Los efectos de la altura sobre el organismo humano son percibidos claramente por los montañistas, quienes está propensos a sufrirlos a medida que ascienden las cumbres.
Algunos de esos síntomas se presentan como cefalea, síntomas gastrointestinales, debilidad o fatiga, inestabilidad o vértigos, transtornos del sueño, entre otros.
Según se ha visto, la medida más eficaz ante la aparición de síntomas del mal de montaña es el descenso a altitudes más bajas, aunque solamente sean unos cientos de metros.

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