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 precisas del tiempo realizadas con relojes atómicos y con sistemas de medición por láser por satélite han revelado que la LOD está sujeta a una serie de cambios diferentes. Estas variaciones sutiles tienen períodos que van desde unas pocas semanas hasta unos pocos años. Se atribuyen a las 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 los movimientos relativos y a la redistribución de masa 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 ser compensado por cambios del momento angular en las otras regiones.
Los movimientos de la corteza (como la deriva continental ) o el derretimiento del casquete polar son eventos seculares lentos (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 piensa que las llamadas "fluctuaciones decenales" de la velocidad de rotación de la Tierra son resultado de fluctuaciones dentro del núcleo, transferidas al manto. [1] La duración del día (LOD) varía significativamente incluso para escalas de tiempo que van desde unos pocos años hasta semanas (Figura), y las fluctuaciones observadas en la LOD -después de eliminar los efectos de los pares externos- son una consecuencia directa de la acción de los pares internos. Estas fluctuaciones de corto plazo son muy probablemente generadas por la interacción entre la Tierra sólida y la atmósfera.
La duración del día de otros planetas también varía, en particular del planeta Venus , que tiene una atmósfera tan dinámica y fuerte que la duración del día fluctúa hasta en 20 minutos. [2]
Cualquier cambio en el 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 influenciado solo ligeramente 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. El LOD se puede medir actualmente con una alta precisión en tiempos de integración de solo 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, que alcanza su máximo el 3 de febrero, y un período semestral con una amplitud de 0,29 milisegundos, que alcanza su 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 eventos de El Niño y oscilaciones cuasi-bienales [6] . Actualmente existe un acuerdo general en que la mayoría de los cambios en LOD en escalas de tiempo que van desde semanas hasta unos pocos años son provocados por cambios en AAM [7] .
Un medio 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 cantidades masivas de agua entre los océanos y la atmósfera. A medida que la masa de agua (vapor) aumenta, 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 viceversa implica un cambio en la velocidad de rotación de la Tierra sólida/líquida que se reflejará en el LOD. [ cita requerida ]
La evidencia observacional muestra que no hay un retraso temporal significativo entre el cambio de AAM y su correspondiente cambio de LOD durante períodos mayores a aproximadamente 10 días. Esto implica un fuerte acoplamiento entre la atmósfera y la Tierra sólida debido a la fricción superficial con una constante de tiempo de aproximadamente 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.
El 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 el componente que describe la rotación rígida de la atmósfera. [8] El viento zonal de este componente tiene la amplitud u en el ecuador en relación con el 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 el AAM con la latitud, un efecto que se cancela cuando se promedia sobre el globo.
La fricción superficial permite que la atmósfera "recoja" el momento angular de la Tierra en el caso de rotación retrógrada o lo libere a la Tierra en el caso de superrotación . Promediando en escalas de tiempo más largas, no se produce intercambio de AAM con la Tierra sólida. La Tierra y la atmósfera están desacopladas. Esto implica que el componente del viento zonal a nivel del suelo responsable de la rotación rígida debe ser cero en promedio. De hecho, la estructura meridional observada del viento zonal medio climático 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 - así como cerca de los polos ( vientos predominantes ). [9] La atmósfera recoge el momento angular de la Tierra en latitudes bajas y altas y transfiere la misma cantidad a la Tierra en latitudes medias.
Cualquier fluctuación de corto plazo del componente del viento zonal que rota rígidamente se acompaña entonces de un cambio correspondiente en el LOD. Para estimar el orden de magnitud de ese efecto, se puede considerar que la atmósfera total rota rígidamente con velocidad u (en m/s) sin fricción superficial. Entonces este valor se relaciona con el cambio correspondiente de la duración del día Δ τ (en milisegundos) como [ cita requerida ]
El 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 el componente semestral de Δ τ ≈ 0,29 ms a u ≈ 0,8 m/s.
