La duración del día ( LOD ), que ha aumentado a lo largo de la historia de la Tierra debido a los efectos de las mareas , también está sujeta a fluctuaciones en una escala de tiempo más corta. Las mediciones exactas del tiempo mediante relojes atómicos y láseres satelitales han revelado que el LOD está sujeto a varios cambios diferentes. Estas sutiles variaciones tienen períodos que van desde unas pocas semanas hasta unos pocos años. Se atribuyen a interacciones entre la atmósfera dinámica y la propia Tierra. El Servicio Internacional de Sistemas de Referencia y Rotación de la Tierra monitorea los cambios.
En ausencia de pares externos, el momento angular total de la Tierra como sistema completo debe ser constante. Los pares internos se deben a movimientos relativos y a la redistribución de masas del núcleo, el manto, la corteza, los océanos, la atmósfera y la criosfera de la Tierra . Para mantener constante el momento angular total , un cambio del momento angular en una región debe necesariamente estar equilibrado por los cambios del momento angular en las otras regiones.
Los movimientos de la corteza terrestre (como la deriva continental ) o el derretimiento del casquete polar son eventos lentos y seculares (no periódicos). Se ha estimado que el tiempo de acoplamiento característico entre el núcleo y el manto es del orden de diez años, y se cree que las llamadas "fluctuaciones de décadas" de la tasa de rotación de la Tierra son el resultado de fluctuaciones dentro del núcleo, transferidas al manto. [1] La duración del día (LOD) varía significativamente incluso para escalas de tiempo desde unos pocos años hasta semanas (Figura), y las fluctuaciones observadas en el LOD - después de eliminar los efectos de los pares externos - son una consecuencia directa de la acción de pares internos. Estas fluctuaciones de corta duración muy probablemente se generan por la interacción entre la Tierra sólida y la atmósfera.
La duración del día también varía en otros planetas, especialmente en el planeta Venus , que tiene una atmósfera tan dinámica y fuerte que la duración del día fluctúa hasta 20 minutos. [2]
Cualquier cambio en la componente axial del momento angular atmosférico (AAM) debe ir acompañado de un cambio correspondiente en el momento angular de la corteza y el manto de la Tierra (debido a la ley de conservación del momento angular). Debido a que el momento de inercia del sistema manto-corteza está sólo ligeramente influenciado por la carga de presión atmosférica, esto requiere principalmente un cambio en la velocidad angular de la Tierra sólida; es decir , un cambio de LOD. Actualmente, el LOD se puede medir con gran precisión en tiempos de integración de sólo unas pocas horas, [3] y los modelos de circulación general de la atmósfera permiten una determinación de alta precisión de los cambios en AAM en el modelo. [4] Una comparación entre AAM y LOD muestra que están altamente correlacionados. En particular, se reconoce un período anual de LOD con una amplitud de 0,34 milisegundos, máximo el 3 de febrero, y un período semestral con una amplitud de 0,29 milisegundos, máximo el 8 de mayo, [5] así como fluctuaciones de 10 días del orden de 0,1 milisegundos. También se han observado fluctuaciones interestacionales que reflejan fenómenos de El Niño y oscilaciones casi bienales. [6] Ahora existe un acuerdo general en que la mayoría de los cambios en LOD en escalas de tiempo desde semanas hasta unos pocos años están provocados por cambios en AAM. [7]
Uno de los medios de intercambio de momento angular entre la atmósfera y las partes no gaseosas de la Tierra es la evaporación y la precipitación. El ciclo del agua mueve enormes cantidades de agua entre los océanos y la atmósfera. A medida que aumenta la masa de agua (vapor), su rotación debe disminuir debido a la conservación del momento angular. Del mismo modo, cuando cae en forma de lluvia, su velocidad de rotación aumentará para conservar el momento angular. Cualquier transferencia global neta de masa de agua de los océanos a la atmósfera o lo contrario implica un cambio en la velocidad de rotación de la Tierra sólido/líquido que se reflejará en LOD. [ cita necesaria ]
La evidencia observacional muestra que no hay un retraso de tiempo significativo entre el cambio de AAM y su correspondiente cambio de LOD por períodos superiores a aproximadamente 10 días. Esto implica un fuerte acoplamiento entre la atmósfera y la Tierra sólida debido a la fricción de la superficie con una constante de tiempo de unos 7 días, el tiempo de desaceleración de la capa de Ekman . Este tiempo de desaceleración es el tiempo característico para la transferencia del momento angular axial atmosférico a la superficie de la Tierra y viceversa.
La componente zonal del viento en el suelo, que es más eficaz para la transferencia del momento angular axial entre la Tierra y la atmósfera, es la componente que describe la rotación rígida de la atmósfera. [8] El viento zonal de este componente tiene la amplitud u en el ecuador con respecto al suelo, donde u > 0 indica superrotación y u < 0 indica rotación retrógrada con respecto a la Tierra sólida. Todos los demás términos de viento simplemente redistribuyen la AAM con la latitud, un efecto que se anula cuando se promedia a nivel mundial.
La fricción de la superficie permite que la atmósfera 'capte' momento angular de la Tierra en el caso de rotación retrógrada o lo libere a la Tierra en el caso de superrotación . En promedio, en escalas de tiempo más largas, no se produce ningún intercambio de AAM con la Tierra sólida. La Tierra y la atmósfera están desacopladas. Esto implica que la componente zonal del viento a nivel del suelo responsable de la rotación rígida debe ser cero en promedio. De hecho, la estructura meridional observada del viento zonal climático medio en el suelo muestra vientos del oeste (desde el oeste) en latitudes medias más allá de aproximadamente ± 30 o de latitud y vientos del este (desde el este) en latitudes bajas (los vientos alisios ) también. como cerca de los polos ( vientos predominantes ). [9] La atmósfera toma momento angular de la Tierra en latitudes altas y bajas y transfiere la misma cantidad a la Tierra en latitudes medias.
Cualquier fluctuación a corto plazo de la componente zonal del viento que gira rígidamente va acompañada de un cambio correspondiente en el LOD. Para estimar el orden de magnitud de ese efecto, se puede considerar que la atmósfera total gira rígidamente con una velocidad u (en m/s) sin fricción superficial. Entonces este valor está relacionado con el cambio correspondiente de la duración del día Δ τ (en milisegundos) como [ cita necesaria ]
La componente anual del cambio de la duración del día de Δ τ ≈ 0,34 ms corresponde entonces a una superrotación de u ≈ 0,9 m/s, y la componente semestral de Δ τ ≈ 0,29 ms a u ≈ 0,8 m/s.
