La circulación atmosférica

El estudio de la atmosfera y del clima es de trascendental interes para el hombre, ya que aquélla hace posible la vida sobre la superficie terrestre. Además, la combinación de elementos y factores que configuran el clima influye en las condiciones medioambientales en que se desarrolla la vida.

Meteorología y Climatología

La atmósfera, los fenómenos que tienen lugar en ella y el clima, son objeto de estudio de la Meteorología y la Climatología.

La Meteorología, como ciencia analítica, se ocupa de la observación, registro y explicación de los elementos del tiempo: temperatura, humedad, precipitación, presión y vientos. Basándo se en estos datos. realiza mapas que reflejan la situación general de la atmósfera en una zona y momento determinados y la evolución de esta situacion en horas o días sucesivos.

Actualmente la Meteorología esta enfocada principalmente hacia la previsión del tiempo y la confección de mapas que facilitar la navegación marítima y aérea.

La Climatología es una ciencia de síntesis que, basándose en el análisis de los datos aportados por la Meteorología, describe y explica los distintos tipos de tiempo, su sucesión y articulación a lo largo del año en determinados espacios de la superficie terrestre, poniendo además de manifiesto la interdependencia existente entre el clima, el modelado de relieve, la vegetación natural, los suelos, la agricultura, etc.

Composición de la atmósfera

Se denomina atmósfera a la masa de aire que envuelve la Tierra. Esta capa gaseosa tiene una altura aproximada de unos 10.000 km. Su parte inferior está compuesta por una mezcla de gases, algunos de los cuales se llaman permanentes, pues su proporción se mantiene constante en cualquier punto. Estos gases son: nitrógeno, 78,84 por 100; oxígeno, 20,9 por 100 (su exis tencia hace posible la vida del hombre, animales y plantas); argón, 0,93 por 100; hidrógeno, 0,001 por 100; neón, helio, criptón y xenón, en proporciones menores.

frente frío

La precipitación frontal viene determinada por el choque de dos masas de aire con distinta temperatura, humedad y grado de estabilidad.

Otros gases varían su proporción en las distintas zonas, en función de la latitud, la temperatura, el reparto de mares y continentes, la presencia de bosques o núcleos de población, etc. Estos son: anhídrido carbónico, 0,003 por 100 aproximadamente, y vapor de agua.

Además existen en el aire atmosférico partículas en suspensión: polvo, hollín, humo, polen, pequeños cristalitos de sal marina, etcétera.

Capas de la atmósfera

Dentro de la atmósfera pueden realizarse divisiones en capas, teniendo en cuenta su temperatura o su composición química. Tomando como base la temperatura en la atmósfera se distinguen las siguientes capas:

La troposfera.
Alcanza una altitud de 6 a 8 km. sobre los Polos y de 16 a 17 km. sobre el Ecuador. En ella la temperatura desciende con la altura 6,4º C por km.; por tanto, el límite supe rior de la troposfera tiene una temperatura mucho más baja sobre el Ecuador que sobre los Polos. En esta capa tienen lugar los fenómenos atmosféricos. La troposfera en su parte superior tiene un estrato más cálido, denominado tropopausa; la existencia de esta capa de aire, menos fría que las inferiores, ocasiona la aparición de una inversión térmica que actúa a modo de tapadera, im pidiendo los movimientos ascendentes del aire.

La estratosfera.
Es la siguiente capa de la atmósfera y en ella se distinguen claramente dos partes:
– La baja estratosfera. Se extiende hasta los 30-35 km. aproximadamente. Se trata de una capa isoterma en la que la temperatura apenas aumenta con la altura.
– La alta estratosfera. Se sitúa entre los 35 y 50 km. En ella el aumento de la temperatura es considerable, ya que está compuesta por una capa de ozono (este gas absorbe los rayos ultravioleta procedentes de la radiación solar y ocasiona una elevación de la temperatura). Entre esta capa y la superior se encuentra la estratopausa, de temperatura más cálida que la alta estratosfera.

La mesosfera.
Abarca hasta los 80 km. de altitud. En ella se produce un descenso de la temperatura con la altura hasta menos de l OOº C. A partir de los 80 km. de altura aparece de nuevo otra inversión térmica, se trata de la mesopausa.

La termosfera.
Capa en la que se produce un aumento de la temperatura con la altura. En ella la densidad del aire es mínima, próxima al vacío. Sobre ella se encuentra la termopausa.

La exosfera.
Se sitúa aproximadamente a unos 550-600 km. de altura. Está formada por átomos de oxígeno, hidrógeno y helio ionizados.

Desde el punto de vista de su composición química se distinguen en la atmósfera dos capas:

Homosfera.
Se extiende desde la superficie terrestre hasta los 90 km. aproximadamente. Los gases que la constitiuyen están mezclados manteniendo una proporción constante (son los mismos que hemos visto al hablar de los componentes de la atmósfera) .

Heterosfera.
Se localiza a partir de los 90 km. Los gases que la constituyen no están mezclados, sino que se estratifican según su densidad, de mayor a menor densidad, en cuatro capas superpuestas que rodean la homosfera: capa de nitrógeno molecular, capa de oxígeno atómico, capa de helio, capa de hidrógeno atómico.

Principales funciones de la atmósfera

La atmósfera actúa sobre la superficie terrestre a modo de tamiz de la radiación procedente del Sol, de la cual una parte es reflejada por la atmósfera (40 por 100 aproximadamente), otra parte es absorbida por el ozono y el vapor de agua atmosférico (un 15 por 100 aproximadamente) y otra parte llega a la superficie terrestre (un 43 por 100) calentándola.

Parte de la radiación solar que llega al suelo, vuelve a la atmósfera inferior por reflexión, siendo absorbida por el vapor de agua y el dióxido de carbono, lo que determina el calentamiento del aire. Esta atmósfera caliente, a su vez, impide los cambios bruscos de temperatura sobre la superficie terrestre.

Diferencias entre tiempo y clima

El tiempo puede definirse como las condiciones generales de la atmósfera en un punto y momento determinados.

La noción de clima alude a una serie de situaciones generales de la atmósfera que se repiten a lo largo de una serie de años en un determinado lugar; por tanto, puede definirse como una sucesión de tipos de tiempo. Vamos a iniciar el estudio del clima, analizando en primer lugar los elementos que lo determinan tales como: temperatura, humedad, precipitación, presión y vientos. Observaremos también cómo estos elementos son modificados por una serie de factores: latitud, altitud, situación geográfica, grado de continentalidad o maritimidad.

La temperatura

Como hemos señalado, una parte de la radiación solar es absorbida por el aire atmosférico, lo que determina su calentamiento. La temperatura, por tanto, es el grado de calor que alcanza la atmósfera. Se mide mediante dos termómetros, uno de máxima y otro de mínima, que registran y conservan respectivamente la temperatura máxima y mínima.

Las escalas normalmente utilizadas son dos: la Celsius o centígrada, que asigna el grado cero al punto de congelación del agua y el grado cien al punto de ebullición, y la Farenheit que sitúa en 32º el punto de congelación y en 212º el punto de ebullición.

Comparaciones térmicas

Para comparar las características térmicas de los distintos climas se emplean los siguientes conceptos:

Temperatura media diaria, mensual y anual.
La temperatura media diaria se obtiene sumando las temperaturas máxima y mínima y dividiendo el resultado entre dos. La media mensual se halla con la suma de las medias diarias dividido por el número de días que tenga el mes. La media anual es la suma de las temperaturas medias mensuales partido por doce.

Amplitud térmica diaria y anual.
La amplitud térmica diaria es la diferencia entre la temperatura máxima y mínima. La amplitud térmica anual consiste en la diferencia entre las medias men suales del mes más frío y las del más cálido. La distribución de las temperaturas sobre la superficie terrestre se representa gráficamente mediante mapas de isotermas o líneas que unen puntos que tienen la misma temperatura.

Distribución de las temperaturas
Esta distribución de temperaturas depende de una serie de factores. Veamos cuáles son:

La latitud.
La temperatura varía según la intensidad de la radiación solar recibida por un punto de la superficie terrestre. La intensidad, a su vez, depende de la perpendicularidad con la que incidan los rayos solares. Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el Ecuador y zonas tropicales y de una manera . cada vez más oblicua sobre las zonas templadas y los Polos (es evidente que cuanto mayor sea la oblicuidad, mayor será la capa de atmósfera que tengan que atravesar los rayos solares). Por otra parte, la misma cantidad de radiación solar tendrá que repartirse en superficies cada vez mayores, lo que ocasionará un descenso progresivo de la temperatura desde el Ecuador a los Polos.

La altitud.
La temperatura disminuye con la altura en virtud e 0,6º C, aproximadamente cada cien metros.

La topografía.
Determina diferencias de temperatura según la distinta exposición de las laderas montañosas al Sol (solanas y umbrías).

El desigual reparto de tierras y mares. Ocasiona grandes contrastes de temperatura ya que los continentes se calientan y se enfrían más rápidamente que los mares; por tanto, en una mism a latitud, las temperaturas son más contrastadas en las zonas del interior que en el litoral.

Las corrientes marinas, según sean cálidas o frías, modifican de una forma u otra la temperatura que debería corresponder en una determinada latitud a las fachadas marítimas de los continentes.

El movimiento de traslación. Descrito por la Tierra alrededor del Sol, ocasiona desigualdades en la duración del día y la noche en las distintas zonas de la superficie terrestre a lo largo del año (estaciones). Estas desigualdades entrañan diferencias de temperatura. En el Ecuador y zonas tropicales los días son prácticamente igual a las noches durante todo el año: las diferencias térmicas estacionales son muy pequeñas. Estas diferencias se hacen cada vez mayores a medida que nos alejamos del Ecuador hacia los Polos, al ser cada vez más desigual la duración de los días y de las noches en determinadas estaciones.

Tipos de humedad

La atmósfera contiene una cantidad variable de vapor de agua, como hemos visto. Este vapor atmosférico procede de la evaporación del agua de ríos, océanos, lagos, pantanos, suelos húmedos de la superficie de los continentes y de la evaporación por transpiración de los vegetales. La cantidad de humedad de la atmósfera puede expresarse en:

Humedad absoluta.
Es la cantidad total de vapor de agua contenida en un determinado volumen de aire. Se expresa en gramos partido por centímetro cúbico de aire.

Según varíe la temperatura de la atmósfera, variará también su capacidad de contener vapor de agua. Cuanto más elevada sea la temperatura del aire, mayor será su capacidad de contención de vapor de agua y a la inversa. Cuando una masa de aire a una determinada temperatura alcanza el límite en su capacidad de contener vapor de agua, se dice que ha llegado a su punto de saturación.

Humedad relativa
.
Es la relación existente entre la cantidad de vapor de agua que contiene una masa de aire a una determinada temperatura y la cantidad máxima de vapor de agua que ese aire podría contener. Se expresa en forma de porcentaje. Si existe una humedad relativa del 100 por lO0 el aire ha alcanzado su punto de saturación. Una humedad relativa del 0 al 50 por 100 correspondería a un aire seco. Del 50 al 80 por l O0 es una humedad media. Del 80 al lO0 por lO0 sería un aire muy húmedo. La humedad relativa se mide mediante el higrómetro.

Cuando una masa de aire llega al límite en su capacidad de contener vapor de agua y experimenta un enfriamiento, se produce la condensación del vapor de agua que contiene, dando lugar a la formación de nubes.

Enfriamiento del aire
Este enfriamiento puede deberse bien a un ascenso y a su consiguiente expansión como consecuencia de la disminución de la presión con la altura. Al expandirse el aire se enfría, con lo que desciende su punto de saturación y tiene lugar la condensación.

Otras veces el enfriamiento de la masa de aire saturado se debe a su contacto con la superficie terrestre, más fría, produciéndose una condensación por contacto del vapor de agua que con tiene y dando lugar a la aparición de rocío o escarcha (cuando la temperatura es superior o inferior respectivamente a los 0º C.).

Las nubes están constituidas por pequeñas gotitas de agua o diminutos cristales de hielo que se mantienen en suspensión gra cias a corrientes ascendentes de aire. Para que se formen estas gotitas es necesario que el aire tenga en suspensión núcleos de condensación o pequeñísimas partículas de humo, polen, polvo o sales marinas.

La precipitación
La precipitación se produce cuando las gotitas de agua o los pequeños cristales de hielo que forman las nubes aumentan su tamaño, no pueden seguir manteniéndose en suspensión y caen por gravedad. La precipitación adopta cuatro formas: lluvia, nieve, aguanieve y granizo. Se mide con el pluviómetro y se expresa en milímetros o en litros por metro cuadrado.

Factores que influyen en las precipitaciones
Varios mecanismos pueden provocar la ascendencia del aire necesaria para que se produzcan las precipitaciones.

Un recalentamiento de una zona de la superficie terrestre que ocasiona el calentamiento de la masa de aire que se encuentra encima de ella. Esta masa de aire al ser más ligera que las que la rodean asciende; al ascender se enfría y alcanza el punto de saturación, condensándose el vapor de agua que contiene. Así se produce la aparición de una nube de desarrollo vertical, que origina lluvias o granizo si el ascenso ha sido muy rápido. Las lluvias originadas por este mecanismo se llaman de convección.

Estas lluvias son características del verano en latitudes medias, produciéndose también en las zonas ecuatoriales y tropicales a lo largo de todo el año.

La ascensión del aire para superar una barrera montañosa
. Al encontrarse una masa de aire con una formación montañosa, para superarla se ve obligada a elevarse. Al elevarse, se enfría y baja su punto de saturación provocando la aparición de nubes y precipitaciones, si el enfriamiento es suficiente, en las laderas orientadas al viento (barlovento).

Una vez superado el obstáculo montañoso la masa de aire, que ya ha perdido su humedad, desciende por la ladera opuesta al viento (sotavento). El descenso provoca que esta masa de aire se caliente y comprima, elevándose su punto de saturación y dando lugar a una sequedad en algunos casos muy acusada en estas zonas. Estas precipitaciones se denominan orográficas.

Una presión atmosférica baja ocasiona una ascensión del aire en espiral que, al elevarse, se enfría, reduce su punto de saturación y produce lluvias denominadas de borrasca.

El choque de dos masas de aire de semejantes características en cuanto a temperatura, humedad y grado de estabilidad, provoca una elevación de ambas que al ascender se enfrían, disminuyendo su punto de saturación y ocasionando lluvias llamadas de convergencia.

El choque de dos masas de aire de diferentes características en cuanto a temperatura, humedad y grado de estabilidad, dan lugar a que la masa de aire más frío, al pesar más, se meta en cuña por debajo del aire caliente, que es más ligero, obligándole a ascender, con lo que se enfría y produce las llamadas lluvias frontales.

hemisferos

Dirección de los vientos en anticiclones y borrascas.

La presión atmosférica

La presión atmosférica sobre un centímetro cuadrado de la superficie terrestre es el peso de la columna de aire que se encuentra sobre ella, de igual base y cuya altura alcanza el límite superior de la atmósfera. La presión se mide mediante el barómetro y se expresa normalmente en milímetros de mercurio o en milibares. La presión normal a nivel del mar es de 760 mm. de mercurio o 1.013mb. Si los valores de la presión superan los 1.013 mb. se considera un área de altas presiones o anticiclón; si son inferiores se trata de una zona de bajas presiones, llamada también ciclón o borrasca.

Existe una disminución de la presión con la altura y sobre la superficie terrestre existen también diferencias de presión. Estas variaciones de presión pueden deberse a diferencias de temperatura. Hay que tener en cuenta que el aire cálido pesa menos que el frío y el aire húmedo es más ligero que el seco.
El aire caliente, al pesar menos que el frío, tiende a elevarse y, por tanto, ejerce menos presión sobre la superficie terrestre originándose un área de bajas presiones o borrasca de origen térmico. En las borrascas la mínima presión se sitúa en el centro, aumentando ésta hacia los bordes.

El aire frío, al pesar más, tiende a caer y a comprimirse a nivel del suelo dando lugar a un área de altas presiones o anticiclón de origen térmico. Los anticiclones se representan mediante una serie de curvas concéntricas, situándose la máxima presión en el centro y descendiendo ésta hacia los bordes.

En otros casos los anticiclones y las borrascas tienen un origen dinámico. Las borrascas se deben al choque de dos masas de aire de caracteristicas similares y a su consiguiente ascenso. Por ejemplo: la baja presión tropical.

Los anticiclones dinámicos están originados por un movimiento descendente del aire que da lugar a una compresión. Ejemplo: los anticiclones subtropicales.

El viento
Es el aire en movimiento. Este movimiento del aire puede ser paralelo a la superficie o vertical a ella. A efectos prácticos tiene más importancia el primero.

El movimiento del aire en sentido horizontal se debe a la tendencia a igualar las diferencias de presión entre dos puntos de la superficie terrestre. La falta de aire que existe a nivel del suelo en las áreas de baja presión, debido al continuo movimiento ascendente del aire, tiende a ser compensado por el exceso de aire existente en las áreas de altas presiones, donde, a nivel del suelo, el aire se encuentra comprimido. Por lo tanto el viento se dirige de las altas a las bajas presiones. Cuanto mayores sean las diferencias de presión entre dos puntos, mayor es la velocidad del viento.

mapa de isobaras

Si la Tierra permaneciera inmóvil, los vientos seguirían una trayectoria rectilínea y casi perpendicular a las isobaras, al moverse de las altas a las bajas presiones. Pero el movimiento de rotación de la Tierra o fuerza de Coriolis (Oeste a Este) origina una desviación en ellos hacia su derecha en el hemisferio norte y hacia su izquierda en el hemisferio sur, hasta hacerlos tomar una dirección casi paralela a las isobaras. En el Ecuador la fuerza de Coriolis es nula. En superficie la dirección del viento es modificada por el roce del aire contra el suelo que hace que siga una trayectoria oblicua a las isobaras.

En los anticiclones el viento se mueve hacia afuera en el sentido de las manecillas del reloj en el hemisferio norte y al contrario en el hemisferio sur.

En las borrascas el viento se mueve hacia adentro siguiendo una dirección contraria a las agujas del reloj en el hemisferio norte y al contrario en el hemisferio sur.

Masas de aire y frentes

Masa de aire es una parte del mismo que conserva una temperatura, humedad y estabilidad constantes. Las masas de aire tienen distintas propiedades según las zonas donde se han origi nado y los lugares que han atravesado en su recorrido. Generalizando, se pueden agrupar las masas de aire en cuatro grandes tipos:
– Masas de aire polar marítimo-Pm-frías y húmedas.
– Masas de aire polar continental-Pc-frío y seco.
– Tropical marítimo-Tm-cálido y húmedo.
– Tropical continental-Tc-cálido y seco.

Las masas de aire no se mezclan, sino que se yuxtaponen manteniendo cada una de ellas límites muy precisos.

masas de aire isobaras

Formación de un frente (1) y evolución del mismo (2).

Al chocar o ponerse en contacto dos masas de aire de características similares dan lugar a la aparición de una línea de convergencia. Por ejemplo: al encontrarse los alisios de ambos hemisferios, constituidos los dos por aire tropical cálido; las diferencias se establecen en función del distinto grado de humedad, la dirección del viento, la estabilidad, o la unión de dos o más de estos factores originando la aparición de una línea de convergencia denominada CIT (convergencia intertropical).

Cuando chocan dos masas de aire de características distintas en cuanto a temperatura, humedad o estabilidad, dan lugar a la aparición de una superficie de separación entre ambas, que recibe el nombre de frente. El frente es inclinado, puesto que el aire frío al ser más pesado se mete en cuña bajo el cálido, menos pesado, obligándole a ascender, lo que determina la aparición de una baja presión en superficie. El frente adopta una forma de onda con el vértice en el centro de la borrasca. aire cálido queda situado entre dos masas de aire frío. De esta manera el, una colocada delante y otra detrás, distinguiéndose en el frente dos sectores: uno anterior o frente cálido y otro posterior o frente frío.

El frente anterior o cálido es la superficie de contacto entre la parte delantera de la masa de aire cálido y la posterior de la masa de aire frío que está situada delante de ella. En este sector el aire cálido al avanzar empuja a la cuña de aire frío que tiene delante, haciendo que la superficie de contacto entre ambas adopte una posición suavemente inclinada.

Deslizándose por este plano inclinado el aire cálido -menos pesadoasciende, se enfría, condensándose el vapor de agua que contiene y dando lugar a la formación de nubes, que ocasionan precipitaciones continuadas pero poco intensas, ya que el ascenso ha sido poco brusco.

El frente frío es la superficie de contacto entre la parte posterior de la masa de aire cálido y la anterior de la masa de aire frío situada detrás. En esta zona el aire frío -más pesado- avanza rápidamente metiéndose en cuña bajo el cálido. Por ello la superficie de separación entre ambas presenta una pendiente brusca, (que obliga al aire cálido -menos pesado- a ascender y enfriar se muy deprisa, ocasionando precipitaciones intensas, pero de corta duración.

Cuando el frente frío posterior alcanza al frente cálido anterior se unen ambos con lo que desaparece la onda, originándose un frente ocluido por encima del cual se sitúa el aire cálido, que va ascendiendo hasta enfriarse; así, desaparece la borrasca.

Esquema de la circulación atmosférica

Está constituido por los movimientos del aire a escala planetaria. Se basa en principio en la observación de las temperaturas que ocasionan una distribución de presiones sobre la superficie de la Tierra. Estas diferencias de presión desencadenan movientos del aire (vientos) que son a su vez modificados por la rotación de la Tierra.

vientos en función de presiones

Vientos en función de presiones atmosféricas

La distribución de presiones sobre la superficie terrestre es la siguiente:
– Altas presiones polares (anticiclones), al ser zonas de mínimas temperaturas.
– Bajas presiones de las zonas templadas, situadas hacia los 60º de latitud norte y sur.
– Altas presiones subtropicales hacia los 30º de latitud norte
– Bajas presiones ecuatoriales, al ser la zona de máximas temperaturas.

Por tanto el Ecuador, zona de bajas presiones, atraería hacia él los vientos de las altas presiones tropicales. Éstos, modificados por la fuerza de Coriolis, serían del noreste en el hemisferio norte y del sureste en el hemisferio sur. Estos vientos reciben el nombre de alisios: según se acercan al Ecuador se calientan, ascienden y se enfrían, alcanzan el punto de saturación y producen precipitaciones constantes.

Las altas presiones subtropicales de los 30º de latitud enviarían vientos sobre las bajas presiones de los 60º de latitud, con lo que habría vientos del suroeste en el hemisferio norte y del noroeste en el hemisferio sur.

Las altas presiones polares enviarían a su vez vientos hacia las bajas presiones de las zonas templadas (60º de latitud). Estos vientos, modificados por la fuerza de Coriolis, serían del noreste en el hemisferio norte y del sureste en el hemisferio sur.

Modificaciones al esquema de la circulación general atmosférica

Existen autores que consideran que la baja presión ecuatorial no es de origen térmico, sino dinámico, pues se ha comprobado que el máximo calor no se da sobre el Ecuador mismo, sino un poco más al norte en el verano del hemisferio norte y un poco más al sur en el verano del hemisferio sur, por lo que se piensa que esta baja está determinada por el choque de los alisios del noreste y del sureste en el Ecuador. Este choque produce un movimiento ascendente, continuo, del aire que ocasiona la aparición de una baja presión en superficie de origen dinámico.

vientos alisios

Situación intertropical en verano (A). Teoría de las dos convergencias intertropicales (B).

La CIT (convergencia intertropical) formada por el encuentro del alisio del noreste y sureste, se sitúa sobre el Ecuador en otoño y primavera, pero sufre vaivenes estacionales hacia el norte en el verano del hemisferio norte y hacia el sur en el verano del hemisferio sur. Por tanto, la CIT se sitúa en el verano de ambos hemisferios en zona tropical.

En el verano del hemisferio norte, al situarse la CIT en zona tropical, el alisio del sureste procedente del hemisferio sur cruzará el Ecuador, desviándose hacia su derecha por la fuerza de Coriolis, convirtiéndose en un viento del suroeste que, al encontrarse con el alisio del noroeste, producirá fuertes lluvias. Otros autores hablan de la existencia de dos líneas de convergencia, separadas y paralelas, entre las cuales se encontraría una masa de vientos ecuatoriales del oeste. Al norte de ella se encontraría el alisio del noreste y al sur el alisio del sureste. Según esta teoría las lluvias de verano de ambos hemisferios se deben al encuentro de los alisios con estos vientos ecuatoriales del oeste. Esto explicaría la continuidad de las lluvias ecuatoriales a lo largo de todo el año.

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