La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire y, junto con la circulación oceánica, es el medio por el cual la energía térmicase redistribuye en la superficie de la Tierra .
La circulación atmosférica de la Tierra varía de un año a otro, pero la estructura a gran escala de su circulación permanece bastante constante. Los sistemas climáticos de menor escala (depresiones de latitud media o células convectivas tropicales) se producen "al azar", y las predicciones meteorológicas a largo plazo de estos no se pueden realizar más de diez días en la práctica, o un mes en teoría (consulte Teoría del caos y Efecto mariposa ).
El clima de la Tierra es una consecuencia de su iluminación por el Sol y las leyes de la termodinámica . La circulación atmosférica puede verse como un motor térmico impulsado por la energía del Sol, y cuya energía se hunde , en última instancia, es la oscuridad del espacio. El trabajo producido por ese motor causa el movimiento de las masas de aire y, en ese proceso, redistribuye la energía absorbida por la superficie de la Tierra cerca de los trópicos hacia las latitudes más cercanas a los polos, y luego al espacio.
Las "células" de circulación atmosférica a gran escala cambian hacia los polos en períodos más cálidos (por ejemplo, interglaciales en comparación con los glaciares ), pero se mantienen constantes en gran medida, ya que son, fundamentalmente, una propiedad del tamaño de la Tierra, la velocidad de rotación, el calentamiento y la profundidad atmosférica, todo de los cuales cambian poco. Durante períodos de tiempo muy largos (cientos de millones de años), una elevación tectónica puede alterar significativamente sus elementos principales, como la corriente en chorro , y la tectónica de placas puede cambiar las corrientes oceánicas . Durante los climas extremadamente cálidos del Mesozoico , pudo haber existido un tercer cinturón del desiertoen el Ecuador .
Características de la circulación latitudinal [ editar ]
Los cinturones de viento que rodean el planeta se organizan en tres células en cada hemisferio: la célula de Hadley , la célula de Ferrel y la célula polar . Esas células existen tanto en el hemisferio norte como en el sur. La gran mayoría del movimiento atmosférico se produce en la célula de Hadley. Los sistemas de alta presión que actúan sobre la superficie de la Tierra están equilibrados por los sistemas de baja presión en otros lugares. Como resultado, hay un equilibrio de fuerzas que actúan sobre la superficie de la Tierra.
Las latitudes de los caballos son un área de alta presión a aproximadamente 30 ° a 35 ° de latitud (norte o sur) donde los vientos divergen en las zonas adyacentes de las células de Hadley o Ferrel, y que típicamente tienen vientos leves, cielos soleados y poca precipitación. [1] [2]
Célula de Hadley [ editar ]
El patrón de circulación atmosférica que George Hadley describió fue un intento de explicar los vientos alisios . La célula de Hadley es un circuito de circulación cerrado que comienza en el ecuador. Allí, el aire húmedo se calienta por la superficie de la Tierra, disminuye en densidad y aumenta. Una masa de aire similar que se levanta en el otro lado del ecuador obliga a esas masas de aire ascendentes a moverse hacia el polo. El aire ascendente crea una zona de baja presión cerca del ecuador. A medida que el aire se desplaza hacia el polo, se enfría, se vuelve más denso y desciende aproximadamente en el paralelo 30 , creando un área de alta presión.. El aire descendido luego viaja hacia el ecuador a lo largo de la superficie, reemplazando el aire que se elevó desde la zona ecuatorial, cerrando el circuito de la celda de Hadley. El movimiento hacia el polo del aire en la parte superior de la troposfera se desvía hacia el este, causado por la aceleración de coriolis (una manifestación de la conservación del momento angular). Sin embargo, a nivel del suelo, el movimiento del aire hacia el ecuador en la troposfera inferior se desvía hacia el oeste, produciendo un viento desde el este. Los vientos que fluyen hacia el oeste (desde el este, el viento del este) a nivel del suelo en la celda de Hadley se llaman los vientos alisios .
Aunque la célula de Hadley se describe como ubicada en el ecuador, en el hemisferio norte se desplaza a latitudes más altas en junio y julio y hacia latitudes más bajas en diciembre y enero, que es el resultado del calentamiento solar de la superficie. La zona donde se produce el mayor calentamiento se denomina " ecuador térmico ". Como el verano en el hemisferio sur es de diciembre a marzo, el movimiento del ecuador térmico a latitudes más altas del sur tiene lugar entonces.
El sistema Hadley proporciona un ejemplo de una circulación térmicamente directa. La potencia del sistema Hadley, considerado como un motor térmico, se estima en 200 tera vatios . [3]
Célula Ferrel [ editar ]
Parte del aire que se eleva a 60 ° de latitud se desvía a gran altura hacia los polos y crea la celda polar. El resto se mueve hacia el ecuador, donde colisiona a una latitud de 30 ° con el aire de alto nivel de la celda de Hadley. Allí se desploma y fortalece las crestas de alta presión debajo. Una gran parte de la energía que impulsa la célula de Ferrel es proporcionada por las células polares y de Hadley que circulan por ambos lados y que arrastran la célula de Ferrel con ella. [4] La célula de Ferrel, teorizada por William Ferrel (1817–1891), es, por lo tanto, una característica de circulación secundaria, cuya existencia depende de Hadley y de las células polares a ambos lados de la misma. Podría pensarse como un remolino creado por Hadley y las células polares.
El aire de la celda de Ferrel que desciende a una latitud de 30 ° retorna hacia el nivel del suelo, y al hacerlo, se desvía hacia el este. En la atmósfera superior de la celda de Ferrel, el aire que se mueve hacia el ecuador se desvía hacia el oeste. Ambas desviaciones, como en el caso de Hadley y las células polares, están impulsadas por la conservación del momento angular. Como resultado, al igual que los vientos alisios del este se encuentran debajo de la celda de Hadley, los Westerlies se encuentran debajo de la celda de Ferrel.
La celda de Ferrel es débil, porque no tiene una fuente de calor fuerte ni un sumidero fuerte, por lo que el flujo de aire y las temperaturas dentro de ella son variables. Por esta razón, las latitudes medias se conocen a veces como la "zona de mezcla". Hadley y las células polares son realmente bucles cerrados, la célula de Ferrel no lo es, y el punto revelador es en los Westerlies, que se conocen más formalmente como "los Westerlies predominantes". Los vientos alisios del este y los vientos del este polares no tienen nada sobre lo que prevalecer, ya que sus células progenitoras de circulación son lo suficientemente fuertes y enfrentan pocos obstáculos, ya sea en forma de características de terreno masivo o zonas de alta presión. Los Westerlies más débiles de la célula de Ferrel, sin embargo, pueden ser interrumpidos. El paso local de un frente frío puede cambiar eso en cuestión de minutos, y con frecuencia lo hace. Como resultado, en la superficie, los vientos pueden variar abruptamente en dirección. Pero los vientos sobre la superficie, donde están menos interrumpidos por el terreno, son esencialmente del oeste. Una zona de baja presión a 60 ° de latitud que se mueve hacia el ecuador, o una zona de alta presión a una latitud de 30 ° que se mueve hacia el polo, acelerará los Westerlies de la celda Ferrel. Un alto fuerte, polos en movimiento puede traer vientos del oeste durante días.
El sistema Ferrel actúa como una bomba de calor con un coeficiente de rendimiento de 12.1, que consume energía cinética de Hadley y los sistemas polares a una tasa aproximada de 275 teravatios. [3]
Célula polar [ editar ]
La celda polar es un sistema simple con fuertes conductores de convección. Aunque son frescas y secas en relación con el aire ecuatorial, las masas de aire en el paralelo 60 son todavía lo suficientemente cálidas y húmedas para sufrir convección e impulsar un circuito térmico. En el paralelo 60, el aire sube a la tropopausa (unos 8 km en esta latitud) y se desplaza hacia el polo. Al hacerlo, la masa de aire del nivel superior se desvía hacia el este. Cuando el aire llega a las áreas polares, se ha enfriado y es considerablemente más denso que el aire subyacente. Desciende, creando un área fría y seca de alta presión. En el nivel de la superficie polar, la masa de aire se dirige hacia el paralelo 60, reemplazando el aire que se elevó allí, y la celda de circulación polar está completa. A medida que el aire en la superficie se mueve hacia el ecuador, se desvía hacia el oeste. Nuevamente, las desviaciones de las masas de aire son el resultado del efecto Coriolis . Los flujos de aire en la superficie se llaman los lores del este.
La salida de la masa de aire de la célula crea ondas armónicas en la atmósfera conocida como ondas de Rossby. Estas ondas ultra largas determinan la trayectoria de la corriente de chorro polar , que viaja dentro de la zona de transición entre la tropopausa y la célula de Ferrel . Al actuar como un disipador de calor, la celda polar mueve el abundante calor del ecuador hacia las regiones polares.
La célula de Hadley y la célula polar son similares en que son térmicamente directas; en otras palabras, existen como consecuencia directa de las temperaturas de la superficie. Sus características térmicas impulsan el clima en su dominio. El gran volumen de energía que transporta la célula de Hadley y la profundidad del disipador de calor contenido dentro de la célula polar aseguran que los fenómenos meteorológicos transitorios no solo tengan un efecto insignificante en los sistemas en general, sino que, excepto en circunstancias inusuales, lo hacen. no forma La interminable cadena de altas y bajas pasantes, que forma parte de la vida cotidiana de los habitantes de latitudes medias, en latitudes entre 30 y 60 ° de latitud, se desconoce por encima de los paralelos 60 y por debajo de los 30. Hay algunas excepciones notables a esta regla. En Europa, el clima inestable se extiende hasta por lo menos el paralelo 70 norte..
La célula polar, el terreno y los vientos Katabatic en la Antártida pueden crear condiciones de mucho frío en la superficie, por ejemplo, la temperatura más baja registrada en la Tierra : −89.2 ° C en la Estación Vostok en la Antártida, medida en 1983. [5] [6] [7 ]
Características de circulación longitudinal [ editar ]
Si bien las células de Hadley, Ferrel y las células polares (cuyos ejes están orientados a lo largo de paralelos o latitudes) son las características principales del transporte global de calor, no actúan solas. Las diferencias de temperatura también impulsan un conjunto de celdas de circulación, cuyos ejes de circulación están orientados longitudinalmente. Este movimiento atmosférico es conocido como circulación de vuelco zonal .
La circulación latitudinal es el resultado de la mayor radiación solar por unidad de área (intensidad solar) que cae sobre los trópicos. La intensidad solar disminuye a medida que aumenta la latitud, llegando prácticamente a cero en los polos. Sin embargo, la circulación longitudinal es el resultado de la capacidad calorífica del agua, su capacidad de absorción y su mezcla. El agua absorbe más calor que la tierra, pero su temperatura no aumenta tanto como la tierra. Como resultado, las variaciones de temperatura en la tierra son mayores que en el agua.
Las células de Hadley, Ferrel y polares operan a la mayor escala de miles de kilómetros ( escala sinóptica ). La circulación latitudinal también puede actuar en esta escala de océanos y continentes, y este efecto es estacional o incluso decenal . El aire caliente se eleva sobre las regiones ecuatorial, continental y occidental del Océano Pacífico. Cuando llega a la tropopausa, se enfría y disminuye en una región con una masa de agua relativamente más fría.
La célula del Océano Pacífico juega un papel particularmente importante en el clima de la Tierra. Esta célula enteramente basada en el océano se produce como resultado de una marcada diferencia en las temperaturas de la superficie del Pacífico occidental y oriental. En circunstancias normales, las aguas del Pacífico occidental son cálidas y las orientales son frescas. El proceso comienza cuando la fuerte actividad convectiva sobre el este de Asia ecuatorial y el enfriamiento del aire fresco frente a la costa oeste de Sudamérica crean un patrón de viento que empuja el agua del Pacífico hacia el oeste y la acumula en el Pacífico occidental. (Los niveles de agua en el Pacífico occidental son aproximadamente 60 cm más altos que en el Pacífico oriental). [8] [9] [10] [11] .
Los efectos longitudinales diarios (diurnos) están en la mesoescala (un rango horizontal de 5 a varios cientos de kilómetros). Durante el día, el aire calentado por la tierra relativamente más caliente se eleva, y al hacerlo, extrae una brisa fresca del mar que reemplaza el aire elevado. Por la noche, el agua relativamente más caliente y la tierra más fría invierten el proceso, y una brisa de la tierra, de aire enfriado por la tierra, se transporta en alta mar por la noche.
Circulación Walker [ editar ]
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La célula del Pacífico es tan importante que ha sido nombrada la circulación Walker después de que Sir Gilbert Walker , un director de observatorios británicos en la India a principios del siglo XX , buscara un medio para predecir cuándo fallarían los vientos monzónicos de la India. Si bien nunca tuvo éxito al hacerlo, su trabajo lo llevó al descubrimiento de un vínculo entre las variaciones periódicas de presión en el Océano Índico y las del Pacífico oriental y occidental, que denominó " Oscilación del Sur ".
El movimiento del aire en la circulación de Walker afecta los bucles de ambos lados. En circunstancias normales, el clima se comporta como se espera. Pero cada pocos años, los inviernos se vuelven inusualmente cálidos o inusualmente fríos, o la frecuencia de los huracanes aumenta o disminuye, y el patrón se establece durante un período indeterminado.
La célula de Walker desempeña un papel clave en esto y en el fenómeno de El Niño . Si la actividad convectiva disminuye en el Pacífico occidental por alguna razón (esta razón no se conoce actualmente), los climas de las áreas adyacentes al Pacífico occidental se ven afectados. Primero, los vientos del oeste del nivel superior fallan. Esto corta la fuente de retorno, el aire fresco que normalmente desaparece a unos 30 ° de latitud sur, [ según quién? ]y por lo tanto el aire regresa a medida que cesa la superficie del este. Hay dos consecuencias. El agua caliente deja de surgir en el Pacífico oriental desde el oeste (fue "apilada" por los vientos del este pasados) ya que ya no hay viento en la superficie para empujarla hacia el área del Pacífico occidental. Esto y los efectos correspondientes de la Oscilación del Sur dan como resultado temperaturas y temperaturas de temporada no estacionales a largo plazo en América del Norte y del Sur, Australia y el Sudeste de África, y la interrupción de las corrientes oceánicas.
Mientras tanto, en el Atlántico, los Westerlies de nivel superior de la célula de Hadley, que soplaban rápidamente, normalmente estarían bloqueados por la circulación de Walker e incapaces de alcanzar tales intensidades. Estos vientos interrumpen la parte superior de los huracanes nacientes y disminuyen en gran medida el número de personas que pueden alcanzar su fuerza total.
El Niño - Oscilación del Sur [ editar ]
El Niño y La Niña son anomalías opuestas de la temperatura de la superficie del Pacífico Sur, que influyen en gran medida en el clima a gran escala. En el caso de El Niño, el agua de superficie cálida se acerca a las costas de América del Sur, lo que provoca el bloqueo del afloramiento de aguas profundas ricas en nutrientes. Esto tiene serios impactos en las poblaciones de peces.
En el caso de La Niña, la célula convectiva sobre el Pacífico occidental se fortalece excesivamente, lo que da como resultado inviernos más fríos de lo normal en América del Norte y una temporada de ciclones más robusta en el sudeste asiático y el este de Australia . También hay un aumento de afloramientos de aguas oceánicas frías profundas y un levantamiento más intenso del aire en la superficie cerca de América del Sur, lo que resulta en un aumento en la incidencia de sequías, aunque los pescadores obtienen beneficios de las aguas más llenas de nutrientes del Pacífico oriental.
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