Célula de Hadley

Característica de circulación atmosférica tropical

Velocidad vertical media (en pascales por segundo) a una altura de presión de 500 hPa en julio entre 1979 y 2001. El ascenso (valores negativos) se concentra cerca del ecuador solar, mientras que el descenso (valores positivos) es más difuso; su distribución es una huella de las ramas ascendentes y descendentes de la circulación de Hadley.

La célula de Hadley , también conocida como circulación de Hadley , es una circulación atmosférica tropical a escala global que presenta aire que asciende cerca del ecuador , fluye hacia los polos cerca de la tropopausa a una altura de 12 a 15 km (7,5 a 9,3 mi) sobre la superficie de la Tierra, se enfría y desciende en los subtrópicos alrededor de los 25 grados de latitud, y luego regresa hacia el ecuador cerca de la superficie. Es una circulación térmicamente directa dentro de la troposfera que surge debido a las diferencias en la insolación y el calentamiento entre los trópicos y los subtrópicos. En promedio anual, la circulación se caracteriza por una célula de circulación a cada lado del ecuador. La célula de Hadley del hemisferio sur es ligeramente más fuerte en promedio que su contraparte del norte, extendiéndose ligeramente más allá del ecuador hacia el hemisferio norte. Durante los meses de verano e invierno, la circulación de Hadley está dominada por una sola célula transecuatorial con aire que asciende en el hemisferio de verano y desciende en el hemisferio de invierno. Circulaciones análogas podrían ocurrir en atmósferas extraterrestres , como en Venus y Marte .

El clima global está muy influenciado por la estructura y el comportamiento de la circulación de Hadley. Los vientos alisios predominantes son una manifestación de las ramas inferiores de la circulación de Hadley, que hacen converger el aire y la humedad en los trópicos para formar la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT) donde se localizan las lluvias más intensas de la Tierra. Los cambios en la ZCIT asociados con la variabilidad estacional de la circulación de Hadley causan monzones . Las ramas descendentes de las células de Hadley dan lugar a las dorsales oceánicas subtropicales y suprimen las precipitaciones; muchos de los desiertos y regiones áridas de la Tierra se encuentran en los subtrópicos coincidentes con la posición de las ramas descendentes. La circulación de Hadley es también un mecanismo clave para el transporte meridional de calor, momento angular y humedad, contribuyendo a la corriente en chorro subtropical , los trópicos húmedos y manteniendo un equilibrio térmico global .

La circulación de Hadley recibe su nombre de George Hadley , quien en 1735 postuló la existencia de células de circulación que abarcan los hemisferios impulsadas por diferencias en el calentamiento para explicar los vientos alisios. Otros científicos desarrollaron posteriormente argumentos similares o criticaron la teoría cualitativa de Hadley, proporcionando explicaciones y formalismos más rigurosos. La existencia de una amplia circulación meridional del tipo sugerido por Hadley se confirmó a mediados del siglo XX una vez que las observaciones rutinarias de la troposfera superior estuvieron disponibles mediante radiosondas . Las observaciones y los modelos climáticos indican que la circulación de Hadley se ha expandido hacia los polos desde al menos la década de 1980 como resultado del cambio climático , con una intensificación acompañante pero menos segura de la circulación; estos cambios se han asociado con tendencias en los patrones climáticos regionales. Las proyecciones de los modelos sugieren que la circulación se ampliará y debilitará a lo largo del siglo XXI debido al cambio climático.

Mecanismo y características

En promedio, la circulación de Hadley está compuesta por dos celdas en los hemisferios norte y sur que hacen circular el aire dentro de los trópicos .

La circulación de Hadley describe el amplio, térmicamente directo, ^[a] y meridional ^[b] vuelco del aire dentro de la troposfera sobre las latitudes bajas . ^[2] Dentro de la circulación atmosférica global , el flujo meridional de aire promediado a lo largo de las líneas de latitud se organiza en circulaciones de movimientos ascendentes y descendentes acoplados con el movimiento del aire hacia el ecuador o hacia los polos llamados células meridionales. Estas incluyen las prominentes "células de Hadley" centradas sobre los trópicos y las más débiles " células de Ferrell " centradas sobre las latitudes medias . ^[3] Las células de Hadley resultan del contraste de insolación entre las regiones ecuatoriales cálidas y las regiones subtropicales más frías . El calentamiento desigual de la superficie de la Tierra da como resultado regiones de aire ascendente y descendente. En el transcurso de un año, las regiones ecuatoriales absorben más radiación del Sol de la que irradian . En latitudes más altas, la Tierra emite más radiación de la que recibe del Sol. Sin un mecanismo para intercambiar calor meridionalmente, las regiones ecuatoriales se calentarían y las latitudes más altas se enfriarían progresivamente en desequilibrio . El amplio ascenso y descenso del aire da como resultado una fuerza de gradiente de presión que impulsa la circulación de Hadley y otros flujos a gran escala tanto en la atmósfera como en el océano , distribuyendo el calor y manteniendo un equilibrio térmico global a largo plazo y subestacional . ^[4]

La circulación de Hadley cubre casi la mitad de la superficie de la Tierra, extendiéndose aproximadamente desde el Trópico de Cáncer hasta el Trópico de Capricornio . ^[4] Verticalmente, la circulación ocupa toda la profundidad de la troposfera. ^[5] Las celdas de Hadley que componen la circulación consisten en aire transportado hacia el ecuador por los vientos alisios en la troposfera inferior que asciende cuando se calienta cerca del ecuador, junto con el aire que se mueve hacia los polos en la troposfera superior. ^[6] El aire que se mueve hacia los subtrópicos se enfría y luego se hunde antes de regresar hacia el ecuador a los trópicos; ^[7] la posición del aire que se hunde asociado con la celda de Hadley se usa a menudo como una medida del ancho meridional de los trópicos globales. ^[8] El retorno del aire hacia el ecuador y la fuerte influencia del calentamiento hacen que la celda de Hadley sea una circulación cerrada e impulsada térmicamente. ^[7] Debido al ascenso boyante del aire cerca del ecuador y al hundimiento del aire en latitudes más altas, se desarrolla un gradiente de presión cerca de la superficie con presiones más bajas cerca del ecuador y presiones más altas en los subtrópicos; esto proporciona la fuerza motriz para el flujo hacia el ecuador en la troposfera inferior. Sin embargo, la liberación de calor latente asociado con la condensación en los trópicos también relaja la disminución de la presión con la altura, lo que resulta en presiones más altas en lo alto en los trópicos en comparación con los subtrópicos para una altura dada en la troposfera superior; este gradiente de presión es más fuerte que su contraparte cerca de la superficie y proporciona la fuerza motriz para el flujo hacia los polos en la troposfera superior. ^{[9] Las células de Hadley se identifican más comúnmente utilizando la} función de corriente promediada zonalmente y ponderada por masa de los vientos meridionales, pero también se pueden identificar por otros parámetros físicos mensurables o derivables, como el potencial de velocidad o el componente vertical del viento a un nivel de presión particular . ^[10]

Dada la latitud y el nivel de presión , la función de corriente de Stokes que caracteriza la circulación de Hadley está dada por ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle p}$

${\displaystyle \psi (\phi ,p)={\frac {2\pi a\cos \phi }{g}}\int _{0}^{p}[v(\phi ,p)]\,dp}$

donde es el radio de la Tierra , es la aceleración debida a la gravedad de la Tierra y es el viento meridional promediado zonalmente en la latitud y nivel de presión prescritos. El valor de da el flujo de masa meridional integrado entre el nivel de presión especificado y la parte superior de la atmósfera de la Tierra, con valores positivos que indican transporte de masa hacia el norte. ^[11] La fuerza de las células de Hadley se puede cuantificar en base a la inclusión de los valores máximos y mínimos o promedios de la función de corriente tanto en general como en varios niveles de presión. La intensidad de las células de Hadley también se puede evaluar utilizando otras cantidades físicas como el potencial de velocidad, el componente vertical del viento, el transporte de vapor de agua o la energía total de la circulación. ^[12] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle [v(\phi ,p)]}$ ${\displaystyle \psi }$ ${\displaystyle \psi }$

Estructura y componentes

La estructura de la circulación de Hadley y sus componentes se puede inferir al graficar promedios zonales y temporales de vientos globales en toda la troposfera. En escalas de tiempo más cortas, los sistemas meteorológicos individuales perturban el flujo del viento. Aunque la estructura de la circulación de Hadley varía estacionalmente, cuando los vientos se promedian anualmente (desde una perspectiva euleriana ), la circulación de Hadley es aproximadamente simétrica y está compuesta por dos celdas de Hadley similares con una en cada uno de los hemisferios norte y sur, compartiendo una región común de aire ascendente cerca del ecuador; ^[1] sin embargo, la celda de Hadley del hemisferio sur es más fuerte. ^[13] Los vientos asociados con la circulación de Hadley promediada anualmente son del orden de 5 m/s (18 km/h; 11 mph). ^[1] Sin embargo, cuando se promedian los movimientos de las parcelas de aire en oposición a los vientos en ubicaciones fijas (una perspectiva lagrangiana ), la circulación de Hadley se manifiesta como una circulación más amplia que se extiende más hacia los polos. ^[14] Cada célula de Hadley puede describirse mediante cuatro ramas principales del flujo de aire dentro de los trópicos: ^{[15] [16]}

• Una rama inferior en dirección al ecuador dentro de la capa límite planetaria
• Una rama ascendente cerca del ecuador
• Una rama superior orientada hacia los polos en la troposfera superior
• Una rama descendente en los subtrópicos

La convergencia de vientos cerca del ecuador da lugar a la Zona de Convergencia Intertropical, lo que obliga al aire a ascender y forma la rama ascendente de la circulación de Hadley.

Los vientos alisios en las latitudes bajas de los hemisferios norte y sur de la Tierra convergen el aire hacia el ecuador, produciendo un cinturón de baja presión atmosférica que exhibe tormentas abundantes y fuertes lluvias conocidas como la Zona de Convergencia Intertropical (ITCZ). ^{[4] [17]} Este movimiento hacia el ecuador del aire cerca de la superficie de la Tierra constituye la rama inferior de la célula de Hadley. ^[18] La posición de la ITCZ ​​está influenciada por la calidez de las temperaturas de la superficie del mar (TSM) cerca del ecuador y la fuerza de los gradientes de presión transecuatoriales. En general, la ITCZ ​​está ubicada cerca del ecuador o está desplazada hacia el hemisferio de verano donde se encuentran las TSM más cálidas. ^{[19] [20]} En un promedio anual, la rama ascendente de la circulación de Hadley está ligeramente desplazada hacia el hemisferio norte, lejos del ecuador. ^[13] Debido a la fuerza de Coriolis , los vientos alisios se desvían en dirección opuesta a la rotación de la Tierra, soplando parcialmente hacia el oeste en lugar de directamente hacia el ecuador en ambos hemisferios. La rama inferior acumula humedad resultante de la evaporación en los océanos tropicales de la Tierra. ^[21] Un ambiente más cálido y vientos convergentes fuerzan al aire humedecido a ascender cerca del ecuador, lo que resulta en la rama ascendente de la célula de Hadley. ^[4] El movimiento ascendente se ve mejorado aún más por la liberación de calor latente a medida que la elevación del aire húmedo da como resultado una banda ecuatorial de condensación y precipitación . ^{[3] [21]} La rama ascendente de la circulación de Hadley ocurre principalmente en tormentas eléctricas que ocupan solo alrededor del uno por ciento de la superficie de los trópicos. ^[22] El transporte de calor en la rama ascendente de la circulación de Hadley se lleva a cabo de manera más eficiente mediante torres calientes  , nubes cumulonimbus que tienen fuertes corrientes ascendentes que no se mezclan con el aire más seco que se encuentra comúnmente en la troposfera media y, por lo tanto, permiten el movimiento de aire desde la troposfera inferior tropical altamente húmeda hacia la troposfera superior. Se requieren aproximadamente entre 1500 y 5000 torres calientes diariamente cerca de la región de la ZCIT para sostener el transporte de calor vertical que exhibe la circulación de Hadley. ^[23]

El aire asciende hacia la troposfera superior hasta una altura de 12 a 15 km (7,5 a 9,3 mi), después de lo cual el aire diverge hacia afuera de la ZCIT y hacia los polos. ^[24] La parte superior de la celda de Hadley está determinada por la altura de la tropopausa , ya que la estratosfera estable que se encuentra por encima impide el ascenso continuo del aire. ^[25] El aire que surge de las latitudes bajas tiene un mayor momento angular absoluto sobre el eje de rotación de la Tierra. La distancia entre la atmósfera y el eje de la Tierra disminuye hacia los polos; para conservar el momento angular, las parcelas de aire que se mueven hacia los polos deben acelerar hacia el este. ^[26] El efecto Coriolis limita la extensión hacia los polos de la circulación de Hadley, acelerando el aire en la dirección de la rotación de la Tierra y formando una corriente en chorro dirigida zonalmente en lugar de continuar el flujo de aire hacia los polos en el límite hacia los polos de cada celda de Hadley. ^{[27] [28]} Considerando únicamente la conservación del momento angular, una parcela de aire en reposo a lo largo del ecuador aceleraría a una velocidad zonal de 134 m/s (480 km/h; 300 mph) para cuando alcanzara los 30° de latitud. Sin embargo, la turbulencia a pequeña escala a lo largo del recorrido de la parcela hacia los polos y los remolinos a gran escala en las latitudes medias disipan el momento angular. ^[29] El chorro asociado con la célula de Hadley del hemisferio sur es más fuerte que su contraparte del norte debido a la mayor intensidad de la célula del hemisferio sur. ^[30] Las latitudes más altas y más frías conducen al enfriamiento de las parcelas de aire, lo que hace que el aire hacia los polos finalmente descienda. ^[26] Cuando se promedia anualmente el movimiento del aire, la rama descendente de la célula de Hadley se ubica aproximadamente sobre el paralelo 25 norte y el paralelo 25 sur . ^[1] La humedad en los subtrópicos es entonces transportada parcialmente hacia los polos por los remolinos y parcialmente hacia el ecuador por la rama inferior de la celda de Hadley, donde luego es llevada hacia la ZCIT. ^[31] Aunque la celda de Hadley promediada zonalmente está organizada en cuatro ramas principales, estas ramas son agregaciones de flujos de aire más concentrados y regiones de transporte de masa. ^[32]

Varias teorías y modelos físicos han intentado explicar el ancho latitudinal de la celda de Hadley. ^[33] El modelo de Held-Hou proporciona una restricción teórica sobre la extensión meridional de las celdas de Hadley. Al suponer una atmósfera simplificada compuesta por una capa inferior sujeta a la fricción de la superficie de la Tierra y una capa superior libre de fricción, el modelo predice que la circulación de Hadley estaría restringida a 2500 km (1600 mi) del ecuador si las parcelas no tienen ningún calentamiento neto dentro de la circulación. ^[2] Según el modelo de Held-Hou, la latitud del borde polar de la celda de Hadley escala de acuerdo con ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \phi \propto {\sqrt {\frac {g\Delta \theta H_{t}}{\Omega ^{2}a^{2}\theta _{0}}}}}$

donde es la diferencia de temperatura potencial entre el ecuador y el polo en equilibrio radiativo, es la altura de la tropopausa, es la velocidad de rotación de la Tierra y es una temperatura potencial de referencia. ^[33] Otros modelos compatibles postulan que el ancho de la celda de Hadley puede escalar con otros parámetros físicos como la frecuencia de Brunt–Väisälä promediada verticalmente en la tropopausa o la tasa de crecimiento de las ondas baroclínicas emitidas por la celda. ^[34] ${\displaystyle \Delta \theta }$ ${\displaystyle H_{t}}$ ${\displaystyle \Omega }$ ${\displaystyle \theta _{0}}$

Estacionalidad y variabilidad

Función de corriente de Stokes promedio anual y mensual basada en valores de 1991 a 2020 del reanálisis NCEP/NCAR ; las celdas de Hadley son las dos celdas contrarrotativas adyacentes al ecuador

La circulación de Hadley varía considerablemente con los cambios estacionales. Alrededor del equinoccio durante la primavera y el otoño, ya sea para el hemisferio norte o sur, la circulación de Hadley toma la forma de dos células de Hadley relativamente más débiles en ambos hemisferios, que comparten una región común de ascenso sobre la ZCIT y mueven el aire hacia el hemisferio respectivo de cada célula. ^[4] Sin embargo, más cerca de los solsticios , la circulación de Hadley se transforma en una célula de Hadley transecuatorial más singular y más fuerte con aire que asciende en el hemisferio de verano y desciende ampliamente en el hemisferio de invierno. ^{[4] [35]} La transición entre la configuración de dos células y la de una sola célula es abrupta, y durante la mayor parte del año la circulación de Hadley se caracteriza por una sola célula de Hadley dominante que transporta aire a través del ecuador. ^[36] En esta configuración, la rama ascendente se encuentra en las latitudes tropicales del hemisferio de verano más cálido y la rama descendente se ubica en los subtrópicos del hemisferio de invierno más frío. ^[37] Todavía hay dos células en cada hemisferio, aunque la célula del hemisferio de invierno se vuelve mucho más prominente mientras que la célula del hemisferio de verano se desplaza hacia los polos. ^[38] La intensificación de la célula del hemisferio de invierno está asociada con un empinamiento de los gradientes en la altura geopotencial , lo que lleva a una aceleración de los vientos alisios y flujos meridionales más fuertes. ^[39] La presencia de continentes relaja los gradientes de temperatura en el hemisferio de verano, acentuando el contraste entre las células de Hadley hemisféricas. ^[40] Los datos de reanálisis de 1979-2001 indicaron que la célula de Hadley dominante en el verano boreal se extendía de 13°S a 31°N en promedio. ^{[41] [c]} Tanto en los inviernos boreales como en los australes, el océano Índico y el océano Pacífico occidental contribuyen más a los movimientos ascendentes y descendentes en la circulación de Hadley promediada zonalmente. Sin embargo, los flujos verticales sobre África y las Américas son más marcados en el invierno boreal. ^{[42] [43]}

En escalas de tiempo interanuales más largas, las variaciones en la circulación de Hadley están asociadas con variaciones en El Niño-Oscilación del Sur (ENSO), que impacta el posicionamiento de la rama ascendente; ^{[44] [45]} la respuesta de la circulación a ENSO no es lineal, con una respuesta más marcada a los eventos de El Niño que a los eventos de La Niña . ^[45] Durante El Niño, la circulación de Hadley se fortalece debido al aumento del calor de la troposfera superior sobre el Pacífico tropical y la intensificación resultante del flujo hacia los polos. ^{[46] [47]} Sin embargo, estos cambios no son asimétricos, durante los mismos eventos, las células de Hadley sobre el Pacífico occidental y el Atlántico se debilitan. ^[48] Durante el Niño Atlántico , la circulación sobre el Atlántico se intensifica. La circulación del Atlántico también se mejora durante los períodos en que la oscilación del Atlántico Norte es fuertemente positiva. ^[49] La variación en la circulación de Hadley promediada estacionalmente y promediada anualmente de un año a otro se explica en gran medida por dos modos yuxtapuestos de oscilación : un modo simétrico ecuatorial caracterizado por una sola célula a lo largo del ecuador y un modo simétrico ecuatorial caracterizado por dos células a cada lado del ecuador. ^[50]

Energética y transporte

La célula de Hadley redistribuye el calor, contrarrestando el calentamiento desigual de la Tierra.

La célula de Hadley es un mecanismo importante por el cual se transporta humedad y energía tanto entre los trópicos y subtrópicos como entre los hemisferios norte y sur. ^[51] Sin embargo, no es un transportador eficiente de energía debido a los flujos opuestos de la rama inferior y superior, con la rama inferior transportando calor sensible y latente hacia el ecuador y la rama superior transportando energía potencial hacia los polos. El transporte neto de energía resultante hacia los polos representa alrededor del 10 por ciento del transporte total de energía involucrado en la célula de Hadley. ^[52] La rama descendente de la célula de Hadley genera cielos despejados y un excedente de evaporación en relación con la precipitación en los subtrópicos. ^[53] La rama inferior de la circulación de Hadley logra la mayor parte del transporte del exceso de vapor de agua acumulado en la atmósfera subtropical hacia la región ecuatorial. ^[54] La fuerte célula de Hadley del hemisferio sur en relación con su contraparte norte conduce a un pequeño transporte neto de energía del hemisferio norte al hemisferio sur; ^[13] Como resultado, el transporte de energía en el ecuador se dirige hacia el sur en promedio, ^[55] con un transporte neto anual de alrededor de 0,1 PW. ^[56] En contraste con las latitudes más altas donde los remolinos son el mecanismo dominante para transportar energía hacia los polos, los flujos meridionales impuestos por la circulación de Hadley son el mecanismo principal para el transporte de energía hacia los polos en los trópicos. ^{[57] [31]} Como circulación térmicamente directa, la circulación de Hadley convierte la energía potencial disponible en energía cinética de los vientos horizontales. ^[58] Según datos de enero de 1979 y diciembre de 2010, la circulación de Hadley tiene una potencia de salida promedio de 198  TW , con máximos en enero y agosto y mínimos en mayo y octubre. ^[59] Aunque la estabilidad de la tropopausa limita en gran medida el movimiento del aire desde la troposfera a la estratosfera, ^[25] algo de aire troposférico penetra en la estratosfera a través de las células de Hadley. ^[60]

Las ondas baroclínicas que se desarrollan a lo largo del chorro subtropical en los límites polares de las células de Hadley transportan energía hacia los polos.

La circulación de Hadley puede idealizarse como un motor térmico que convierte la energía térmica en energía mecánica . A medida que el aire se mueve hacia el ecuador cerca de la superficie de la Tierra, acumula entropía de la superficie ya sea por calentamiento directo o por el flujo de calor sensible o latente . En la rama ascendente de una célula de Hadley, el ascenso del aire es aproximadamente un proceso adiabático con respecto al entorno circundante. Sin embargo, a medida que las parcelas de aire se mueven hacia el ecuador en la rama superior de la célula, pierden entropía al irradiar calor al espacio en longitudes de onda infrarrojas y descienden en respuesta. ^[1] Este enfriamiento radiativo ocurre a una tasa de al menos 60 W m ⁻² y puede superar los 100 W m ⁻² en invierno. ^[53] El calor acumulado durante la rama hacia el ecuador de la circulación es mayor que el calor perdido en la rama superior hacia los polos; el exceso de calor se convierte en energía mecánica que impulsa el movimiento del aire. ^[1] Esta diferencia en el calentamiento también da como resultado que la circulación de Hadley transporte calor hacia los polos, ya que el aire que alimenta la rama superior de la célula de Hadley tiene mayor energía estática húmeda que el aire que alimenta la rama inferior de la célula. ^[3] Dentro de la atmósfera de la Tierra, la escala de tiempo en la que las parcelas de aire pierden calor debido al enfriamiento radiativo y la escala de tiempo en la que el aire se mueve a lo largo de la circulación de Hadley están en órdenes de magnitud similares, lo que permite que la circulación de Hadley transporte calor a pesar del enfriamiento en la rama superior de la circulación. ^[61] El aire con alta temperatura potencial finalmente se mueve hacia los polos en la troposfera superior, mientras que el aire con temperatura potencial más baja es llevado hacia el ecuador cerca de la superficie. ^[62] Como resultado, la circulación de Hadley es un mecanismo por el cual el desequilibrio producido por el calentamiento desigual de la Tierra se lleva hacia el equilibrio. ^[21] Cuando se considera como un motor térmico, la eficiencia termodinámica de la circulación de Hadley promedió alrededor del 2,6 por ciento entre 1979 y 2010, con una pequeña variabilidad estacional. ^[63]

La circulación de Hadley también transporta el momento angular planetario hacia los polos debido a la rotación de la Tierra. ^[21] Debido a que los vientos alisios se dirigen en dirección opuesta a la rotación de la Tierra, el momento angular hacia el este se transfiere a la atmósfera a través de la interacción friccional entre los vientos y la topografía. La célula de Hadley luego transfiere este momento angular a través de sus ramas ascendentes y hacia los polos. ^[64] La rama hacia los polos se acelera y se desvía hacia el este tanto en el hemisferio norte como en el sur debido a la fuerza de Coriolis y la conservación del momento angular , lo que resulta en una corriente en chorro zonal por encima de la rama descendente de la célula de Hadley. ^[21] La formación de un chorro de este tipo implica la existencia de un equilibrio térmico del viento respaldado por la amplificación de los gradientes de temperatura en la vecindad del chorro resultante de la advección de calor hacia los polos de la circulación de Hadley. ^[28] El chorro subtropical en la troposfera superior coincide con el lugar donde la célula de Hadley se encuentra con la célula de Ferrell. ^[1] La fuerte cizalladura del viento que acompaña al chorro presenta una fuente significativa de inestabilidad baroclínica a partir de la cual crecen las ondas; El crecimiento de estas ondas transfiere calor y momento hacia los polos. ^[65] Los remolinos atmosféricos extraen el momento angular del oeste de la célula de Hadley y lo transportan hacia abajo, lo que da lugar a los vientos del oeste de latitudes medias. ^[64]

Formulación y descubrimiento

La amplia estructura y mecanismo de la circulación de Hadley (que comprende células convectivas que mueven el aire debido a las diferencias de temperatura de una manera influenciada por la rotación de la Tierra) fue propuesta por primera vez por Edmund Halley en 1685 y George Hadley en 1735. ^[18] Hadley había intentado explicar el mecanismo físico de los vientos alisios y los vientos del oeste; ^[66] la circulación de Hadley y las células de Hadley reciben su nombre en honor a su trabajo pionero. ^{[67] [68]} Aunque las ideas de Hadley invocaban conceptos físicos que no se formalizarían hasta mucho después de su muerte, su modelo era en gran medida cualitativo y sin rigor matemático. ^[69] La formulación de Hadley fue reconocida más tarde por la mayoría de los meteorólogos en la década de 1920 como una simplificación de procesos atmosféricos más complicados. ^[70] La circulación de Hadley puede haber sido el primer intento de explicar la distribución global de los vientos en la atmósfera de la Tierra utilizando procesos físicos. Sin embargo, la hipótesis de Hadley no podía verificarse sin observaciones de los vientos en la atmósfera superior. Los datos recopilados mediante radiosondas de rutina a partir de mediados del siglo XX confirmaron la existencia de la circulación de Hadley. ^[18]

Primeras explicaciones sobre los vientos alisios

Los intentos de explicar los vientos alisios estuvieron motivados por su constancia e importancia para el comercio marítimo.

En los siglos XV y XVI, las observaciones de las condiciones meteorológicas marítimas fueron de considerable importancia para el transporte marítimo . Las compilaciones de estas observaciones mostraron condiciones meteorológicas constantes de un año a otro y una variabilidad estacional significativa. ^[71] La prevalencia de condiciones secas y vientos débiles alrededor de los 30° de latitud y los vientos alisios en dirección al ecuador más cerca del ecuador, reflejados en los hemisferios norte y sur, era evidente en 1600. Los primeros esfuerzos de los científicos para explicar aspectos de los patrones de viento globales a menudo se centraron en los vientos alisios, ya que se suponía que la estabilidad de los vientos presagiaba un mecanismo físico simple. Galileo Galilei propuso que los vientos alisios eran el resultado de que la atmósfera se retrasaba con respecto a la velocidad de rotación tangencial más rápida de la Tierra en las latitudes bajas, lo que resultaba en vientos alisios en dirección oeste dirigidos en sentido opuesto a la rotación de la Tierra. ^[72]

En 1685, el erudito inglés Edmund Halley propuso en un debate organizado por la Royal Society que los vientos alisios eran el resultado de las diferencias de temperatura de este a oeste producidas a lo largo de un día en los trópicos. ^[73] En el modelo de Halley, a medida que la Tierra rotaba, la ubicación del máximo calentamiento del Sol se movía hacia el oeste a través de la superficie de la Tierra. Esto haría que el aire se elevara y, por conservación de la masa , Halley argumentó que el aire se movería a la región de aire evacuado, generando los vientos alisios. La hipótesis de Halley fue criticada por sus amigos, quienes notaron que su modelo conduciría a cambios en las direcciones del viento a lo largo de un día en lugar de vientos alisios constantes. ^[72] Halley admitió en correspondencia personal con John Wallis que "Tu cuestionamiento de mi hipótesis para resolver los vientos alisios me hace menos seguro de la verdad de la misma". ^[74] Sin embargo, la formulación de Halley se incorporó a la Enciclopedia de Chambers y a La Grande Encyclopédie , convirtiéndose en la explicación más conocida de los vientos alisios hasta principios del siglo XIX. ^[72] Aunque su explicación de los vientos alisios era incorrecta, Halley predijo correctamente que los vientos alisios de la superficie deberían estar acompañados por un flujo opuesto en lo alto después de la conservación de la masa. ^[75]

La explicación de George Hadley

La concepción de Hadley de la circulación atmosférica implicaba grandes circulaciones que abarcaban todo el hemisferio.

Insatisfecho con las explicaciones anteriores para los vientos alisios, George Hadley propuso un mecanismo alternativo en 1735. ^[76] La hipótesis de Hadley fue publicada en el artículo "On the Cause of the General Trade Winds" en Philosophical Transactions of the Royal Society . ^[77] Al igual que Halley, la explicación de Hadley consideraba los vientos alisios como una manifestación del aire que se mueve para ocupar el lugar del aire cálido ascendente. Sin embargo, la región de aire ascendente que impulsa este flujo se encuentra a lo largo de las latitudes más bajas. Entendiendo que la velocidad de rotación tangencial de la Tierra era más rápida en el ecuador y se desaceleraba más hacia los polos, Hadley conjeturó que a medida que el aire con menor impulso desde latitudes más altas se movía hacia el ecuador para reemplazar el aire ascendente, conservaría su impulso y, por lo tanto, se curvaría hacia el oeste. Por la misma razón, el aire ascendente con mayor impulso se extendería hacia los polos, curvándose hacia el este y luego hundiéndose a medida que se enfriaba para producir vientos del oeste en las latitudes medias. ^[76] La explicación de Hadley implicaba la existencia de células de circulación que abarcaban los hemisferios norte y sur desde el ecuador hasta los polos, ^[78] aunque se basaba en una idealización de la atmósfera terrestre que carecía de estacionalidad o de las asimetrías de los océanos y los continentes. ^[79] Su modelo también predijo vientos alisios del este rápidos de alrededor de 37 m/s (130 km/h; 83 mph), ^[76] aunque argumentó que la acción de la fricción superficial en el transcurso de unos pocos días desaceleró el aire a las velocidades del viento observadas. ^[80] Colin Maclaurin extendió el modelo de Hadley al océano en 1740, afirmando que las corrientes oceánicas meridionales estaban sujetas a desviaciones similares hacia el oeste o el este. ^[76]

Hadley no fue ampliamente asociado con su teoría debido a la confusión con su hermano mayor, John Hadley , y Halley; su teoría no logró ganar mucha tracción en la comunidad científica durante más de un siglo debido a su explicación poco intuitiva y la falta de observaciones validadas. ^[81] Varios otros filósofos naturales presentaron explicaciones independientes para la distribución global de los vientos poco después de la propuesta de Hadley de 1735. En 1746, Jean le Rond d'Alembert proporcionó una formulación matemática para los vientos globales, pero ignoró el calentamiento solar y atribuyó los vientos a los efectos gravitacionales del Sol y la Luna . Immanuel Kant , también insatisfecho con la explicación de Halley para los vientos alisios, publicó una explicación para los vientos alisios y los vientos del oeste en 1756 con un razonamiento similar al de Hadley. ^[82] En la última parte del siglo XVIII, Pierre-Simon Laplace desarrolló un conjunto de ecuaciones que establecían una influencia directa de la rotación de la Tierra en la dirección del viento. ^[83] El científico suizo Jean-André Deluc publicó en 1787 una explicación de los vientos alisios similar a la hipótesis de Hadley, conectando el calentamiento diferencial y la rotación de la Tierra con la dirección de los vientos. ^[84]

El químico inglés John Dalton fue el primero en atribuir claramente la explicación de Hadley sobre los vientos alisios a George Hadley, mencionando el trabajo de Hadley en su libro de 1793 Meteorological Observations and Essays . ^[85] En 1837, Philosophical Magazine publicó una nueva teoría de las corrientes de viento desarrollada por Heinrich Wilhelm Dove sin referencia a Hadley pero explicando de manera similar la dirección de los vientos alisios como influenciada por la rotación de la Tierra. En respuesta, Dalton más tarde escribió una carta al editor de la revista promocionando el trabajo de Hadley. ^[86] Posteriormente, Dove atribuyó a Hadley con tanta frecuencia que la teoría general se conoció como el "principio Hadley-Dove", ^[87] popularizando la explicación de Hadley sobre los vientos alisios en Alemania y Gran Bretaña . ^[88]

Crítica de la explicación de Hadley

Las muestras de radiosonda rutinarias de la troposfera superior a partir del siglo XX proporcionaron la primera evidencia observacional directa de la circulación de Hadley.

El trabajo de Gustave Coriolis , William Ferrel , Jean Bernard Foucault y Henrik Mohn en el siglo XIX ayudó a establecer la fuerza de Coriolis como el mecanismo para la desviación de los vientos debido a la rotación de la Tierra, enfatizando la conservación del momento angular en la dirección de los flujos en lugar de la conservación del momento lineal como sugirió Hadley; ^[87] La ​​suposición de Hadley condujo a una subestimación de la desviación por un factor de dos. ^[79] La aceptación de la fuerza de Coriolis en la conformación de los vientos globales condujo a un debate entre los científicos atmosféricos alemanes a partir de la década de 1870 sobre la integridad y validez de la explicación de Hadley, que explicaba de manera estrecha el comportamiento de los movimientos inicialmente meridionales. ^[87] El uso de Hadley de la fricción superficial para explicar por qué los vientos alisios eran mucho más lentos de lo que su teoría predeciría fue visto como una debilidad clave en sus ideas. Los movimientos hacia el suroeste observados en las nubes cirros a alrededor de 30°N descartaron aún más la teoría de Hadley, ya que su movimiento era mucho más lento de lo que la teoría predeciría al tener en cuenta la conservación del momento angular. ^[89] En 1899, William Morris Davis , profesor de geografía física en la Universidad de Harvard , dio un discurso en la Royal Meteorological Society criticando la teoría de Hadley por su fracaso en explicar la transición de un flujo inicialmente desequilibrado a un equilibrio geostrófico . ^[90] Davis y otros meteorólogos en el siglo XX reconocieron que el movimiento de las parcelas de aire a lo largo de la circulación prevista por Hadley se sostenía por una interacción constante entre el gradiente de presión y las fuerzas de Coriolis en lugar de la conservación del momento angular únicamente. ^[91] En última instancia, aunque la comunidad científica atmosférica consideró válidas las ideas generales del principio de Hadley, su explicación fue vista como una simplificación de procesos físicos más complejos. ^{[70] [92]}

El modelo de Hadley de la circulación atmosférica global, caracterizado por celdas de circulación que abarcan todo el hemisferio, también fue cuestionado por las observaciones meteorológicas que mostraban una zona de alta presión en los subtrópicos y un cinturón de baja presión en torno a los 60° de latitud. Esta distribución de la presión implicaría un flujo hacia los polos cerca de la superficie en las latitudes medias, en lugar de un flujo hacia el ecuador, como implicaban las celdas previstas por Hadley. Ferrel y James Thomson más tarde conciliaron el patrón de presión con el modelo de Hadley al proponer una celda de circulación limitada a altitudes más bajas en las latitudes medias y enclavada dentro de las celdas de Hadley más amplias y que abarcaban todo el hemisferio. Carl-Gustaf Rossby propuso en 1947 que la circulación de Hadley se limitaba a los trópicos y formaba parte de un flujo meridional multicelular impulsado dinámicamente. ^{[93] [94]} El modelo de Rossby se parecía al de un modelo tricelular similar desarrollado por Ferrel en 1860. ^[94]

Observación directa

El modelo tricelular de la circulación atmosférica global –con la circulación concebida por Hadley formando su componente tropical– había sido ampliamente aceptado por la comunidad meteorológica a principios del siglo XX. Sin embargo, la existencia de la célula de Hadley sólo fue validada por observaciones meteorológicas cerca de la superficie, y sus predicciones de vientos en la troposfera superior no fueron puestas a prueba. ^[95] El muestreo rutinario de la troposfera superior mediante radiosondas que surgió a mediados del siglo XX confirmó la existencia de células de vuelco meridionales en la atmósfera. ^[18]

Influencia sobre el clima

La distribución global de las precipitaciones en los trópicos está fuertemente influenciada por la circulación de Hadley.

La circulación de Hadley es una de las influencias más importantes en el clima global y la habitabilidad planetaria, ^[4] así como un importante transportador de momento angular, calor y vapor de agua. ^{[96] [97]} Las células de Hadley aplanan el gradiente de temperatura entre el ecuador y los polos, haciendo que los extratrópicos sean más suaves. ^[68] El patrón de precipitación global de alta precipitación en los trópicos y falta de precipitación en latitudes más altas es una consecuencia de la posición de las ramas ascendentes y descendentes de las células de Hadley, respectivamente. ^[3] Cerca del ecuador, el ascenso del aire húmedo da como resultado la precipitación más intensa en la Tierra. ^{[4] El movimiento periódico de la ZCIT y, por lo tanto, la variación estacional de las ramas ascendentes de la circulación de Hadley produce los} monzones del mundo . ^{[98] El movimiento descendente del aire asociado con la rama descendente produce} divergencia superficial consistente con la prominencia de áreas subtropicales de alta presión . ^[3] Estas regiones semipermanentes de alta presión se encuentran principalmente sobre el océano entre 20° y 40° de latitud. ^[68] Las condiciones áridas están asociadas con las ramas descendentes de la circulación de Hadley, ^{[33] con muchos de los} desiertos y regiones semiáridas o áridas de la Tierra subyacentes a las ramas descendentes de la circulación de Hadley. ^{[4] [10]}

La capa límite marina nublada común en los subtrópicos puede estar formada por núcleos de condensación de nubes exportados fuera de los trópicos por la circulación de Hadley. ^[99]

Efectos del cambio climático

Variabilidad natural

Las reconstrucciones paleoclimáticas de los vientos alisios y los patrones de lluvia sugieren que la circulación de Hadley cambió en respuesta a la variabilidad climática natural . Durante los eventos Heinrich en los últimos 100.000 años, la célula de Hadley del hemisferio norte se fortaleció mientras que la célula de Hadley del hemisferio sur se debilitó. La variación en la insolación durante el Holoceno medio y tardío resultó en una migración hacia el sur de las ramas ascendentes y descendentes de la célula de Hadley del hemisferio norte más cerca de sus posiciones actuales. Los anillos de los árboles de las latitudes medias del hemisferio norte sugieren que la posición histórica de las ramas de la célula de Hadley también ha cambiado en respuesta a oscilaciones más cortas, con la rama descendente del hemisferio norte moviéndose hacia el sur durante las fases positivas de El Niño-Oscilación del Sur y la oscilación decenal del Pacífico y hacia el norte durante las fases negativas correspondientes. Las células de Hadley se desplazaron hacia el sur entre 1400 y 1850, simultáneamente con la sequía en partes del hemisferio norte. ^[100]

Expansión de células de Hadley y cambios de intensidad

Tendencias observadas

El cambio climático ha provocado la expansión hacia los polos de la circulación de Hadley.

Según el Sexto Informe de Evaluación del IPCC (AR6), la circulación de Hadley probablemente se ha expandido desde al menos la década de 1980 en respuesta al cambio climático , con una confianza media en una intensificación acompañante de la circulación. ^{[101] [102]} Una expansión de la circulación general hacia los polos de aproximadamente 0,1°–0,5° de latitud por década desde la década de 1980 se explica en gran medida por el desplazamiento hacia los polos de la célula de Hadley del hemisferio norte, que en el reanálisis atmosférico ha mostrado una expansión más marcada desde 1992. ^[103] Sin embargo, el AR6 también informó una confianza media en la expansión de la célula de Hadley del hemisferio norte dentro del rango de variabilidad interna. En contraste, el AR6 evaluó que era probable que la expansión hacia los polos de la célula de Hadley del hemisferio sur se debiera a la influencia antropogénica; ^[104] este hallazgo se basó en los modelos climáticos CMIP5 y CMIP6 . ^[8]

Los estudios han producido una amplia gama de estimaciones para la tasa de ensanchamiento de los trópicos debido al uso de diferentes métricas; las estimaciones basadas en propiedades de la troposfera superior tienden a producir una gama más amplia de valores. ^[105] El grado en el que la circulación se ha expandido varía según la estación, con tendencias en verano y otoño que son mayores y estadísticamente significativas en ambos hemisferios. ^[106] El ensanchamiento de la circulación de Hadley también ha resultado en un probable ensanchamiento de la ZCIT desde la década de 1970. ^[107] Los reanálisis también sugieren que las células de Hadley de verano y otoño en ambos hemisferios se han ensanchado y que la circulación global de Hadley se ha intensificado desde 1979, con una intensificación más pronunciada en el hemisferio norte. ^[103] Entre 1979 y 2010, la energía generada por la circulación global de Hadley aumentó en un promedio de 0,54 TW por año, en consonancia con un mayor aporte de energía a la circulación por el calentamiento de las TSM sobre los océanos tropicales. ^[108] (A modo de comparación, la potencia total de la circulación de Hadley varía de 0,5 TW a 218 TW durante todo el año en el hemisferio norte y de 32 a 204 TW en el sur). ^[109] A diferencia de los reanálisis, los modelos climáticos CMIP5 muestran un debilitamiento de la circulación de Hadley desde 1979. ^[110] Por lo tanto, la magnitud de los cambios a largo plazo en la fuerza de la circulación es incierta debido a la influencia de la gran variabilidad interanual y la mala representación de la distribución de la liberación de calor latente en los reanálisis. ^[103]

La expansión de la circulación de Hadley debido al cambio climático es consistente con el modelo de Held-Hou, que predice que la extensión latitudinal de la circulación es proporcional a la raíz cuadrada de la altura de la tropopausa. El calentamiento de la troposfera eleva la altura de la tropopausa, lo que permite que la rama superior de las células de Hadley que se encuentra hacia los polos se extienda más y lleve a una expansión de las células. ^[111] Los resultados de los modelos climáticos sugieren que el impacto de la variabilidad interna (como la de la oscilación decenal del Pacífico) y la influencia antropogénica en la expansión de la circulación de Hadley desde los años 1980 han sido comparables. ^[8] La influencia humana es más evidente en la expansión de la célula de Hadley del hemisferio sur; ^[8] el AR6 evaluó la confianza media en la asociación de la expansión de la circulación de Hadley en ambos hemisferios con el forzamiento radiativo adicional de los gases de efecto invernadero. ^[112]

Mecanismos físicos y cambios proyectados

Los procesos físicos por los cuales la circulación de Hadley se expande por influencia humana no están claros, pero pueden estar vinculados al aumento del calentamiento de los subtrópicos en relación con otras latitudes tanto en los hemisferios norte como sur. El aumento del calor subtropical podría permitir la expansión de la circulación hacia los polos al desplazar el chorro subtropical y los remolinos baroclínicos hacia los polos. ^{[8] [113]} La expansión hacia los polos de la célula de Hadley del hemisferio sur en el verano austral fue atribuida por el Quinto Informe de Evaluación (AR5) del IPCC al agotamiento del ozono estratosférico basado en simulaciones del modelo CMIP5, mientras que las simulaciones CMIP6 no han mostrado una señal tan clara. ^[8] El agotamiento del ozono podría afectar plausiblemente a la circulación de Hadley a través del aumento del enfriamiento radiativo en la estratosfera inferior; esto aumentaría la velocidad de fase de los remolinos baroclínicos y los desplazaría hacia los polos, lo que llevaría a la expansión de las células de Hadley. ^[113] Se han propuesto otros mecanismos impulsados ​​por remolinos para la expansión de las células de Hadley, que implican cambios en la baroclinicidad , rompimiento de olas y otras liberaciones de inestabilidad. ^[114] En las zonas extratropicales del hemisferio norte, las concentraciones crecientes de carbono negro y ozono troposférico pueden ser una fuerza importante en la expansión de las células de Hadley de ese hemisferio en el verano boreal. ^[106]

Las proyecciones de los modelos climáticos indican que un aumento continuo en la concentración de gases de efecto invernadero daría como resultado una ampliación continua de la circulación de Hadley. ^[96] Sin embargo, las simulaciones que utilizan datos históricos sugieren que el forzamiento de los gases de efecto invernadero puede explicar alrededor de 0,1° por década de expansión de los trópicos. ^[114] Aunque la ampliación de las células de Hadley debido al cambio climático ha ocurrido simultáneamente con un aumento en su intensidad con base en reanálisis atmosféricos, ^{[101] [102]} las proyecciones de los modelos climáticos generalmente representan un debilitamiento de la circulación en tándem con una ampliación de la circulación para fines del siglo XXI. ^{[115] [110]} Un aumento a más largo plazo en la concentración de dióxido de carbono puede conducir a un debilitamiento de la circulación de Hadley como resultado de la reducción del enfriamiento radiativo en la troposfera cerca de las ramas descendentes de la circulación. ^[116] Sin embargo, los cambios en la circulación oceánica dentro de los trópicos pueden atenuar los cambios en la intensidad y el ancho de las células de Hadley al reducir los contrastes térmicos. ^{[117] [118]}

Cambios en los patrones climáticos

Los cambios en la célula de Hadley debido al cambio climático pueden influir en las tendencias de precipitación global.

La expansión de la circulación de Hadley debido al cambio climático está relacionada con cambios en los patrones climáticos regionales y globales. ^[119] Una ampliación de los trópicos podría desplazar el cinturón de lluvias tropicales , expandir los desiertos subtropicales y exacerbar los incendios forestales y la sequía. ^[120] El desplazamiento y la expansión documentados de las dorsales subtropicales están asociados con cambios en la circulación de Hadley, incluida una extensión hacia el oeste del anticiclón subtropical sobre el noroeste del Pacífico, cambios en la intensidad y posición del anticiclón de las Azores y el desplazamiento e intensificación hacia los polos del cinturón de anticiclón subtropical en el hemisferio sur. Estos cambios han influido en las cantidades y la variabilidad de las precipitaciones regionales, incluidas las tendencias de sequía sobre el sur de Australia, el noreste de China y el norte de Asia meridional . El AR6 evaluó evidencia limitada de que la expansión de la célula de Hadley del hemisferio norte puede haber llevado en parte a condiciones más secas en los subtrópicos y a una expansión hacia los polos de la aridez durante el verano boreal. ^[121] Los cambios en las precipitaciones inducidos por los cambios en la circulación de Hadley pueden provocar cambios en la humedad del suelo regional ; los modelos muestran las disminuciones más significativas en el mar Mediterráneo , Sudáfrica y el suroeste de los Estados Unidos . ^[119] Sin embargo, los efectos concurrentes de los cambios en los patrones de temperatura de la superficie terrestre generan incertidumbres sobre la influencia del ensanchamiento de las células de Hadley en el secado de las áreas terrestres subtropicales. ^[122]

Los modelos climáticos sugieren que el cambio en la posición de los anticiclones subtropicales inducido por el ensanchamiento de las células de Hadley puede reducir el afloramiento oceánico en latitudes bajas y mejorarlo en latitudes altas. ^[123] La expansión de los anticiclones subtropicales en conjunto con la expansión de la circulación también puede implicar un ensanchamiento de las regiones oceánicas de alta salinidad y baja producción primaria marina . ^[120] Una disminución en los ciclones extratropicales en las regiones de trayectoria de tormentas en las proyecciones del modelo está parcialmente influenciada por la expansión de las células de Hadley. ^[124] Los cambios hacia los polos en la circulación de Hadley están asociados con cambios en las trayectorias de los ciclones tropicales en los hemisferios norte y sur, ^[121] incluyendo una tendencia hacia los polos en los lugares donde las tormentas alcanzaron su intensidad máxima. ^[125]

Circulaciones extraterrestres de Hadley

Es posible que exista una circulación de Hadley en otros planetas, incluido Marte .

Fuera de la Tierra, cualquier circulación térmicamente directa que haga circular el aire meridionalmente a través de gradientes de insolación a escala planetaria puede describirse como una circulación de Hadley. ^[21] Una atmósfera terrestre sujeta a un calentamiento ecuatorial excesivo tiende a mantener una circulación de Hadley axisimétrica con movimientos ascendentes cerca del ecuador y hundimientos en latitudes más altas. ^[126] Se plantea la hipótesis de que el calentamiento diferencial da lugar a circulaciones de Hadley análogas a la de la Tierra en otras atmósferas del Sistema Solar , como en Venus , Marte y Titán . Al igual que con la atmósfera de la Tierra, la circulación de Hadley sería la circulación meridional dominante para estas atmósferas extraterrestres . ^[127] Aunque menos entendidas, las circulaciones de Hadley también pueden estar presentes en los gigantes gaseosos del Sistema Solar y, en principio, deberían materializarse en atmósferas exoplanetarias . ^{[128] [129]} La extensión espacial de una célula de Hadley en cualquier atmósfera puede depender de la velocidad de rotación del planeta o la luna, con una velocidad de rotación más rápida que conduce a células de Hadley más contraídas (con una extensión hacia los polos más restrictiva) y una circulación meridional global más celular. ^[130] La velocidad de rotación más lenta reduce el efecto Coriolis, reduciendo así el gradiente de temperatura meridional necesario para sostener un chorro en el límite hacia los polos de la célula de Hadley y permitiendo así que la célula de Hadley se extienda más hacia los polos. ^[28]

Los planetas o lunas que giran más lentamente, como en Titán , pueden soportar circulaciones de Hadley más amplias con ramas ascendentes y convección más cercanas a las regiones polares.

Venus , que gira lentamente, puede tener células de Hadley que se extienden más hacia los polos que las de la Tierra, abarcando desde el ecuador hasta latitudes altas en cada uno de los hemisferios norte y sur. ^{[21] [131]} Su amplia circulación de Hadley mantendría eficientemente la distribución de temperatura casi isotérmica entre el polo y el ecuador del planeta y velocidades verticales de alrededor de 0,5 cm/s (0,018 km/h; 0,011 mph). ^{[132] [131]} Las observaciones de trazadores químicos como el monóxido de carbono proporcionan evidencia indirecta de la existencia de la circulación de Hadley de Venus. ^[133] La presencia de vientos hacia los polos con velocidades de hasta alrededor de 15 m/s (54 km/h; 34 mph) a una altitud de 65 km (40 mi) se entiende típicamente como asociada con la rama superior de una célula de Hadley, ^[134] que puede estar ubicada a 50-65 km (31-40 mi) sobre la superficie de Venus. ^[133] Las lentas velocidades verticales asociadas con la circulación de Hadley no se han medido, aunque pueden haber contribuido a las velocidades verticales medidas por las misiones Vega y Venera . ^[134] Las células de Hadley pueden extenderse hasta alrededor de 60° de latitud, hacia el ecuador de una corriente en chorro de latitud media que demarca el límite entre la célula de Hadley hipotética y el vórtice polar . ^[133] La atmósfera del planeta puede exhibir dos circulaciones de Hadley, una cerca de la superficie y la otra al nivel de la capa de nubes superior . La circulación de Hadley de Venus puede contribuir a la superrotación de la atmósfera del planeta. ^[21]

Las simulaciones de la atmósfera marciana sugieren que también existe una circulación de Hadley en la atmósfera de Marte, que exhibe una estacionalidad más fuerte en comparación con la circulación de Hadley de la Tierra. ^[135] Esta mayor estacionalidad es resultado de la inercia térmica disminuida que resulta de la falta de un océano y la atmósfera más delgada del planeta. ^{[21] [136]} Además, la excentricidad orbital de Marte conduce a una célula de Hadley más fuerte y más ancha durante su invierno boreal en comparación con su invierno austral. Durante la mayor parte del año marciano, cuando prevalece una sola célula de Hadley, sus ramas ascendentes y descendentes se ubican a 30° y 60° de latitud, respectivamente, en el modelado climático global. ^[137] Las cimas de las células de Hadley en Marte pueden alcanzar mayor altitud (hasta alrededor de 60 km (37 mi)) y estar menos definidas en comparación con la Tierra debido a la falta de una tropopausa fuerte en Marte. ^{[135] [138]} Mientras que el calentamiento latente de los cambios de fase asociados con el agua impulsa gran parte del movimiento ascendente en la circulación de Hadley de la Tierra, el ascenso en la circulación de Hadley de Marte puede ser impulsado por el calentamiento radiativo del polvo elevado e intensificado por la condensación de dióxido de carbono cerca de la capa de hielo polar del hemisferio invernal de Marte, lo que aumenta los gradientes de presión. ^[21] A lo largo del año marciano, el flujo de masa de la circulación de Hadley varía entre 10 ⁹ kg s ⁻¹ durante los equinoccios y 10 ¹⁰ en los solsticios. ^[139]

Una circulación de Hadley también puede estar presente en la atmósfera de la luna Titán de Saturno . Al igual que Venus, la lenta tasa de rotación de Titán puede sustentar una circulación de Hadley espacialmente amplia. ^[131] El modelado de la circulación general de la atmósfera de Titán sugiere la presencia de una célula de Hadley transecuatorial. Esta configuración es consistente con los vientos meridionales observados por la nave espacial Huygens cuando aterrizó cerca del ecuador de Titán. ^[140] Durante los solsticios de Titán, su circulación de Hadley puede tomar la forma de una sola célula de Hadley que se extiende de polo a polo, con gas cálido ascendiendo en el hemisferio de verano y hundiéndose en el hemisferio de invierno. ^[141] Una configuración de dos células con ascenso cerca del ecuador está presente en el modelado durante un período de transición limitado cerca de los equinoccios. ^[142] La distribución de nubes convectivas de metano en Titán y las observaciones de la nave espacial Huygens sugieren que la rama ascendente de su circulación de Hadley ocurre en las latitudes medias de su hemisferio de verano. ^[143] La formación frecuente de nubes ocurre a 40° de latitud en el hemisferio de verano de Titán a partir de un ascenso análogo a la ZCIT de la Tierra. ^[144]

Véase también

• Vórtice polar  : una amplia región semipermanente de aire frío que gira ciclónicamente y que rodea los polos de la Tierra.
• Circulación de Brewer-Dobson  : circulación entre la troposfera tropical y la estratosfera.
• Circulación meridional atlántica  : una amplia circulación oceánica importante para el intercambio de energía en una amplia gama de latitudes

Notas

1. En una circulación térmica directa , el aire asciende por encima de las regiones más cálidas y desciende por encima de las regiones más frías, lo que hace que se añada calor a una presión mayor que cuando se elimina. Esto difiere de una circulación térmica indirecta en la que la energía mecánica de entrada permite que el aire suba por encima de las regiones más frías y descienda por encima de las regiones más cálidas. La refrigeración es análoga a una circulación térmica indirecta. ^[1]
2. Los movimientos meridionales son en dirección norte o sur, a lo largo de líneas de longitud , mientras que los movimientos zonales son en dirección oeste o este, a lo largo de líneas de latitud .
3. boreal y austral se refieren a los hemisferios norte y sur, respectivamente. Por ejemplo, el verano boreal se refiere al verano en el hemisferio norte, que ocurre simultáneamente con el invierno austral (invierno en el hemisferio sur).

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