La circulación atmosférica es el movimiento de aire a gran escala 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) se producen de forma caótica, y sus predicciones meteorológicas a largo plazo no pueden hacerse más allá de diez días en la práctica, o un mes en teoría (véase la teoría del caos y el efecto mariposa). ).
El clima de la Tierra es 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 cuyo sumidero de energía , en definitiva, 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 cerca de los trópicos hacia las latitudes más cercanas a los polos y de allí al espacio.
Las "células" de circulación atmosférica a gran escala se desplazan hacia los polos en períodos más cálidos (por ejemplo, interglaciales en comparación con glaciales ), pero permanecen en gran medida constantes ya que son, fundamentalmente, una propiedad del tamaño de la Tierra, la velocidad de rotación, el calentamiento y la profundidad atmosférica, todas de 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 desplazar las corrientes oceánicas . Durante los climas extremadamente cálidos del Mesozoico , pudo haber 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. Esas células existen tanto en el hemisferio norte como en el hemisferio 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 están equilibrados por los sistemas de baja presión en otros lugares. 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 células de Hadley o Ferrel, y que normalmente tienen vientos suaves, cielos soleados y poca precipitación. [1] [2]
El patrón de circulación atmosférica que describió George Hadley fue un intento de explicar los vientos alisios . La celda de Hadley es un circuito de circulación cerrado que comienza en el ecuador. Allí, el aire húmedo es calentado por la superficie de la Tierra, disminuye su densidad y aumenta. Una masa de aire similar que se eleva al 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 el polo, se enfría, se vuelve más denso y desciende aproximadamente en el paralelo 30 , creando un área de alta presión . El aire que desciende luego viaja hacia el ecuador a lo largo de la superficie, reemplazando el aire que ascendió desde la zona ecuatorial, cerrando el circuito de la celda de Hadley. El movimiento del aire hacia los polos en la parte superior de la troposfera se desvía hacia el este, provocado 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 soplan hacia el oeste (desde el este, viento del este) a nivel del suelo en la célula de Hadley se denominan vientos alisios.
Aunque se describe que la célula de Hadley está ubicada en el ecuador, se desplaza hacia el norte (hacia latitudes más altas) en junio y julio y hacia el sur (hacia latitudes más bajas) en diciembre y enero, como resultado del calentamiento de la superficie por parte del Sol. La zona donde se produce el mayor calentamiento se denomina " ecuador térmico ". Como el verano en el hemisferio sur ocurre entre diciembre y marzo, entonces se produce el movimiento del ecuador térmico hacia latitudes más altas del sur.
El sistema Hadley proporciona un ejemplo de circulación térmica directa. La potencia del sistema Hadley, considerado como un motor térmico, se estima en 200 teravatios . [3]
Una parte del aire que se eleva a 60° de latitud diverge a gran altura 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 hunde y fortalece las crestas de alta presión que se encuentran debajo. Gran parte de la energía que impulsa la celda de Ferrel es proporcionada por las células polares y de Hadley que circulan a ambos lados, que arrastran consigo el aire de la celda de Ferrel. [4] 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 Hadley y las células polares.
El aire de la célula de Ferrel que desciende a 30° de latitud regresa hacia el polo al 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 Hadley y las células polares, están impulsadas por la conservación del momento angular. Como resultado, así como los vientos alisios del este se encuentran debajo de la celda de Hadley, los vientos del oeste se encuentran debajo de la celda de Ferrel.
La celda de Ferrel es débil porque no tiene una fuerte fuente de calor ni un fuerte sumidero, por lo que el flujo de aire y las temperaturas dentro de ella son variables. Por esta razón, las latitudes medias a veces se conocen como la "zona de mezcla". Las células de Hadley y las polares son circuitos 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 polares del este no tienen nada sobre qué prevalecer, ya que sus células de circulación madre 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 de dirección. Pero los vientos sobre la superficie, donde se ven menos perturbados 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 30° de latitud que se mueve hacia el polo, acelerará los vientos del oeste de la celda de Ferrel. Un fuerte aumento que se mueve hacia el polo 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 un ritmo aproximado de 275 teravatios. [3]
La celda polar es un sistema simple con fuertes impulsores de convección. Aunque son frías y secas en comparación con el aire ecuatorial, las masas de aire en el paralelo 60 todavía son lo suficientemente cálidas y húmedas como para sufrir convección e impulsar un circuito térmico . En el paralelo 60, el aire asciende hasta la tropopausa (unos 8 km en esta latitud) y se mueve hacia los polos. Al hacerlo, la masa de aire de los niveles superiores se desvía hacia el este. Cuando el aire llega a las zonas polares, se ha enfriado por la radiación al espacio 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 aleja del polo hacia el paralelo 60, reemplazando el aire que ascendió allí, y la celda 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 . Los flujos 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 viaja dentro de la zona de transición entre la tropopausa y la célula de Ferrel . Al actuar como disipador de calor, la célula polar mueve el abundante calor desde el ecuador hacia las regiones polares.
Las células polares, 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. [5] [6] [ 7]
La celda de Hadley y la celda polar son similares en que son térmicamente directas; en otras palabras, existen como consecuencia directa de las temperaturas superficiales. Sus características térmicas influyen en el clima en su dominio. El gran volumen de energía que transporta la celda de Hadley y la profundidad del disipador de calor contenido dentro de la celda polar garantizan que los fenómenos meteorológicos transitorios no sólo tengan un efecto insignificante en los sistemas en su conjunto, sino que, excepto en circunstancias inusuales, no lo hagan. no forma. La interminable cadena de altibajos que forman 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 del paralelo 60 y por debajo del 30. Existen algunas excepciones notables a esta regla; En 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 en 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 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 Hadley, Ferrel y polares operan a la escala más grande de miles de kilómetros ( escala sinóptica ). La circulación latitudinal también puede actuar a esta escala de océanos y continentes, y este efecto es estacional o incluso decenal . El aire cálido se eleva sobre las regiones ecuatorial, continental y occidental del Océano Pacífico. Cuando alcanza la tropopausa, se enfría y se hunde en una región de 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 oceánica surge 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 orientales son frías. El proceso comienza cuando una fuerte actividad convectiva sobre el este de Asia ecuatorial y la disminución del aire frío 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). [8] [9] [10] [11]
Los efectos longitudinales diarios (diurnos) se producen 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, atrae una brisa fresca del mar que reemplaza el aire ascendido. Por la noche, el agua relativamente más cálida y la tierra más fría invierten el proceso, y una brisa terrestre, de aire enfriado por la tierra, es llevada 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 fallarían los vientos monzónicos de la India. Si bien nunca tuvo éxito en hacerlo, su trabajo lo llevó al descubrimiento de un vínculo entre las variaciones periódicas de presión en el Océano Índico y aquellas entre el 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 tiempo se comporta como se esperaba. 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 por un período indeterminado.
La Walker Cell juega un papel clave en esto y en el fenómeno de El Niño . Si la actividad convectiva se desacelera en el Pacífico occidental por alguna razón (esta razón se desconoce actualmente), los climas de las áreas adyacentes al Pacífico occidental se ven afectados. Primero, los vientos del oeste en los niveles superiores fallan. Esto corta la fuente de aire frío que regresa, que normalmente disminuiría a aproximadamente 30° de latitud sur y, por lo tanto, cesa el aire que regresa cuando los vientos del este en la superficie. Hay dos consecuencias. El agua cálida deja de fluir hacia el Pacífico oriental desde el oeste (fue "amontonada" por los vientos del este pasados) ya que ya no hay 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 la célula Hadley que soplan rápidamente, que normalmente serían bloqueados por la circulación de Walker y no podrían alcanzar tales intensidades. Estos vientos perturban las puntas de los huracanes nacientes y disminuyen en gran medida el número de los que pueden alcanzar su máxima fuerza. [12]
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, las aguas superficiales cálidas se acercan a las costas de América del Sur, lo que bloquea el afloramiento de aguas profundas ricas en nutrientes. Esto tiene graves impactos en 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 intensa en el sudeste asiático y el este de Australia . También hay un aumento de las aguas profundas y frías del océano y una elevación más intensa del aire superficial cerca de América del Sur, lo que da lugar a un número cada vez mayor de sequías, aunque los pescadores se benefician de las aguas del Pacífico oriental, más ricas en nutrientes.
