Circulación atmosférica

La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire y, junto con la circulación oceánica , es el medio por el cual se redistribuye la energía térmica 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 meteorológicos de menor escala ( depresiones de latitudes medias o células convectivas tropicales) ocurren de manera caótica y no se pueden hacer predicciones meteorológicas a largo plazo de ellas más allá de diez días en la práctica, o un mes en teoría (ver la teoría del caos y el efecto mariposa ).

El clima de la Tierra es consecuencia de la iluminación que recibe del Sol y de las leyes de la termodinámica . La circulación atmosférica puede considerarse como un motor térmico impulsado por la energía del Sol y cuyo sumidero de energía , en última instancia, es la negrura del espacio. El trabajo producido por ese motor provoca el movimiento de las masas de aire y, en ese proceso, redistribuye la energía absorbida por la superficie terrestre cercana a los trópicos hacia las latitudes más cercanas a los polos y, de ahí, hacia el espacio.

Las "células" de circulación atmosférica a gran escala se desplazan hacia los polos en los períodos más cálidos (por ejemplo, interglaciares en comparación con glaciares ), pero permanecen en gran medida constantes ya que son, fundamentalmente, una propiedad del tamaño de la Tierra, la tasa de rotación, el calentamiento y la profundidad atmosférica, todos los cuales cambian poco. Durante períodos de tiempo muy largos (cientos de millones de años), un levantamiento tectónico 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 , es posible que haya existido un tercer cinturón desértico en el Ecuador .

Los cinturones de viento que rodean el planeta están organizados en tres células en cada hemisferio: la célula de Hadley , la célula de Ferrel y la célula polar. Estas células existen tanto en el hemisferio norte como en el sur. La mayor parte del movimiento atmosférico se produce en la célula de Hadley. Los sistemas de alta presión que actúan sobre la superficie de la Tierra se equilibran con los sistemas de baja presión que se encuentran en otras partes. Como resultado, existe 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 hacia las zonas adyacentes de las celdas de Hadley o Ferrel, y que típicamente tienen vientos ligeros, cielos soleados y poca precipitación. ^{[1] [2]}

El patrón de circulación atmosférica que George Hadley describió fue un intento de explicar los vientos alisios . La celda de Hadley es un bucle de circulación cerrado que comienza en el ecuador. Allí, el aire húmedo se calienta por la superficie de la Tierra, disminuye en densidad y se eleva. Una masa de aire similar que se eleva en el otro lado del ecuador obliga a esas masas de aire ascendentes a moverse hacia los polos. El aire ascendente crea una zona de baja presión cerca del ecuador. A medida que el aire se mueve hacia los polos, 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 al aire que se elevó desde la zona ecuatorial, cerrando el bucle de la celda de Hadley. ^[3] El movimiento hacia los polos del aire en la parte superior de la troposfera se desvía hacia el este, causado por la aceleración de Coriolis . 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 del este. Los vientos que fluyen hacia el oeste (desde el este, viento del este) a nivel del suelo en la celda de Hadley se denominan vientos alisios.

Aunque se describe que la célula de Hadley está situada en el ecuador, se desplaza hacia el norte (a latitudes más altas) en junio y julio y hacia el sur (a latitudes más bajas) en diciembre y enero, como resultado del calentamiento de la superficie por el Sol. 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 hacia latitudes más australes se produce en esa época.

El sistema Hadley es un ejemplo de circulación térmica directa. La potencia del sistema Hadley, considerado como un motor térmico, se estima en 200 teravatios . [ ^4]

Parte del aire que se eleva a 60° de latitud diverge a gran altitud hacia los polos y crea la célula polar. El resto se mueve hacia el ecuador, donde choca a 30° de latitud con el aire de alto nivel de la célula de Hadley. Allí se hunde y fortalece las crestas de alta presión que hay debajo. Una gran parte de la energía que impulsa la célula de Ferrel es proporcionada por las células polares y de Hadley que circulan a ambos lados, que arrastran el aire de la célula de Ferrel con ella. ^[5] La célula de Ferrel, teorizada por William Ferrel (1817-1891), es, por lo tanto, una característica de circulación secundaria, cuya existencia depende de las células de Hadley y polares a ambos lados de ella. Podría considerarse como un remolino creado por las células de Hadley y polares.

El aire de la célula de Ferrel que desciende a 30° de latitud regresa hacia los polos a nivel del suelo y, al hacerlo, se desvía hacia el este. En la atmósfera superior de la célula de Ferrel, el aire que se mueve hacia el ecuador se desvía hacia el oeste. Ambas desviaciones, como en el caso de las células de Hadley y polares, se deben a la conservación del momento angular. Como resultado, al igual que los vientos alisios del este se encuentran debajo de la célula de Hadley, los vientos del oeste se encuentran debajo de la célula de Ferrel.

La célula 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 en su interior son variables. Por esta razón, las latitudes medias a veces se conocen como la "zona de mezcla". Las células de Hadley y polares son bucles verdaderamente cerrados, la célula de Ferrel no lo es, y el punto revelador está en los vientos del oeste, que se conocen más formalmente como "los vientos del oeste predominantes". Los vientos alisios del este y los vientos del este polares no tienen nada sobre lo que prevalecer, ya que sus células de circulación progenitoras son lo suficientemente fuertes y enfrentan pocos obstáculos, ya sea en forma de accidentes geográficos masivos o zonas de alta presión. Sin embargo, los vientos del oeste más débiles de la célula de Ferrel pueden verse alterados. 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 alterados por el terreno, son esencialmente del oeste. Una zona de baja presión a 60° de latitud que se desplaza hacia el ecuador, o una zona de alta presión a 30° de latitud que se desplaza hacia los polos, acelerará los vientos del oeste de la célula de Ferrel. Un fuerte anticiclón que se desplaza hacia los polos puede traer vientos del oeste durante días.

El sistema Ferrel actúa como una bomba de calor con un coeficiente de rendimiento de 12,1, consumiendo energía cinética de los sistemas Hadley y polar a una tasa aproximada de 275 teravatios. ^[4]

La célula polar es un sistema simple con fuertes impulsores de convección. Aunque frías y secas en relación con el aire ecuatorial, las masas de aire en el paralelo 60 son aún lo suficientemente cálidas y húmedas como para experimentar convección y generar un bucle térmico . En el paralelo 60, el aire asciende hasta la tropopausa (a unos 8 km en esta latitud) y se mueve hacia los polos. Al hacerlo, la masa de aire de nivel superior se desvía hacia el este. Cuando el aire llega a las áreas polares, se ha enfriado por radiación al espacio y es considerablemente más denso que el aire subyacente. Desciende, creando un área de alta presión fría y seca. En el nivel de la superficie polar, la masa de aire se aleja del polo hacia el paralelo 60, reemplazando el aire que ascendió allí, y la célula de circulación polar se completa. A medida que el aire en la superficie se mueve hacia el ecuador, se desvía hacia el oeste, nuevamente como resultado del efecto Coriolis . Las corrientes de aire en la superficie se denominan vientos polares del este y fluyen de noreste a suroeste cerca del polo norte y de sureste a noroeste cerca del polo sur.

La salida de masa de aire de la célula crea ondas armónicas en la atmósfera, conocidas como ondas de Rossby . Estas ondas ultralargas determinan la trayectoria de la corriente en chorro polar , que se desplaza dentro de la zona de transición entre la tropopausa y la célula de Ferrel . Al actuar como un disipador de calor, la célula polar desplaza el abundante calor desde el ecuador hacia las regiones polares.

La célula polar, el terreno y los vientos catabáticos en la Antártida pueden crear condiciones muy frías 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. ^{[6] [7] [8]}

La célula de Hadley y la célula polar son similares en el sentido de que son térmicamente directas; en otras palabras, existen como consecuencia directa de las temperaturas de la superficie. Sus características térmicas determinan el clima en su dominio. El gran volumen de energía que transporta la célula de Hadley y la profundidad del disipador de calor contenido en la célula polar garantizan que los fenómenos meteorológicos transitorios no solo tengan un efecto insignificante en los sistemas en su conjunto, sino que, excepto en circunstancias inusuales, no se formen. La interminable cadena de altas y bajas pasajeras que forma parte de la vida cotidiana de los habitantes de latitudes medias, bajo la célula de Ferrel en latitudes entre 30 y 60° de latitud, es desconocida por encima de los paralelos 60 y por debajo de los 30°. Hay algunas excepciones notables a esta regla; sobre Europa, el clima inestable se extiende al menos hasta el paralelo 70° norte .

Si bien las células de Hadley, Ferrel y polares (cuyos ejes están orientados a lo largo de paralelos o latitudes) son las principales características del transporte de calor global, no actúan solas. Las diferencias de temperatura también impulsan un conjunto de células de circulación, cuyos ejes de circulación están orientados longitudinalmente. Este movimiento atmosférico se conoce 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. La circulación longitudinal, sin embargo, es el resultado de la capacidad térmica 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 escala más grande 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 cálido asciende sobre las regiones ecuatorial, continental y occidental del océano Pacífico. Cuando llega a la tropopausa, se enfría y desciende en una región de masa de agua relativamente más fría.

La célula del océano Pacífico desempeña un papel especialmente importante en el clima de la Tierra. Esta célula, totalmente basada en el océano, se forma como resultado de una marcada diferencia en las temperaturas superficiales del Pacífico occidental y oriental. En circunstancias normales, las aguas del Pacífico occidental son cálidas y las aguas del este son frías. El proceso comienza cuando una fuerte actividad convectiva sobre el este de Asia ecuatorial y el aire frío que desciende frente a la costa occidental de América del Sur 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 unos 60 cm más altos que en el Pacífico oriental). ^{[9] [10] [11] [12]}

Los efectos longitudinales diarios (diurnos) se dan 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, arrastra una brisa fresca del mar que reemplaza al aire que asciende. Por la noche, el agua relativamente más cálida y la tierra más fría invierten el proceso y una brisa procedente de la tierra, de aire enfriado por la tierra, es transportada mar adentro durante la noche.

La célula del Pacífico es de tal importancia que se la ha denominado circulación de Walker en honor a Sir Gilbert Walker , director de observatorios británicos en la India a principios del siglo XX , que buscó un medio para predecir cuándo dejarían de soplar los vientos monzónicos de la India. Si bien nunca lo logró, su trabajo lo llevó al descubrimiento de un vínculo entre las variaciones periódicas de presión en el océano Índico y las que se dan entre el Pacífico oriental y occidental, que denominó " Oscilación del Sur ".

El movimiento del aire en la circulación de Walker afecta a los circuitos 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 fundamental en este fenómeno y en el 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. En primer lugar, los vientos del oeste en los niveles superiores dejan de soplar. Esto corta la fuente de aire frío que regresa y que normalmente disminuiría a unos 30° de latitud sur, y por lo tanto el aire que regresa como vientos del este en la superficie cesa. Hay dos consecuencias. El agua cálida deja de llegar al Pacífico oriental desde el oeste (fue "apilada" por vientos del este anteriores) ya que ya no hay un viento en la superficie que la empuje hacia el área del Pacífico oriental. Esto y los efectos correspondientes de la Oscilación del Sur dan como resultado temperaturas y patrones de precipitación fuera de temporada a largo plazo en América del Norte y del Sur, Australia y el sudeste de África, y la alteración de las corrientes oceánicas.

Mientras tanto, en el Atlántico se forman vientos del oeste de nivel superior de rápida velocidad pertenecientes a la célula de Hadley, que normalmente quedarían bloqueados por la circulación de Walker y no podrían alcanzar tales intensidades. Estos vientos alteran las cimas de los huracanes nacientes y reducen en gran medida el número de los que pueden alcanzar su máxima fuerza. ^[13]

El Niño y La Niña son anomalías opuestas de la temperatura superficial del Pacífico Sur, que influyen en gran medida en el clima a gran escala. En el caso de El Niño, el agua superficial cálida se acerca a las costas de América del Sur, lo que bloquea el afloramiento de aguas profundas ricas en nutrientes. Esto tiene graves consecuencias para las poblaciones de peces.

En el caso de La Niña, la célula convectiva sobre el Pacífico occidental se fortalece desmesuradamente, 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 del afloramiento de aguas oceánicas profundas y frías y un ascenso más intenso del aire superficial cerca de América del Sur, lo que resulta en un número cada vez mayor de casos de sequía, aunque los pescadores se benefician de las aguas del Pacífico oriental, más ricas en nutrientes.

• Circulación Brewer-Dobson
• Vientos predominantes

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• Animación que muestra la circulación global de nubes durante un mes basada en imágenes satelitales meteorológicas
• Interacciones aire-mar y patrones de circulación oceánica en el departamento meteorológico del gobierno de Tailandia