4.2: Visión general, energía solar, presión y cinturones de viento

Las conexiones entre la circulación atmosférica, las corrientes oceánicas y el clima de la Tierra son simples y maravillosamente complejas. Fácilmente podríamos pasar todo el semestre estudiando estos temas y desarrollando los antecedentes para la circulación oceánica, pero no lo haremos. En cambio, llegaremos a los puntos altos y construiremos un fondo para comprender las corrientes oceánicas y la circulación termohalina. Tiene sentido comenzar con la circulación atmosférica porque las corrientes superficiales oceánicas son impulsadas por el viento. El patrón básico de circulación oceánica superficial, incluyendo los giros a gran escala, es causado por el viento y los factores que producen patrones de viento a gran escala. Debemos comenzar por ver cómo la entrada de energía solar en la Tierra y el transporte de calor hacia los polos por los vientos establecen celdas atmosféricas a gran escala que producen vientos del Este y del Oeste en tres bandas principales desde el ecuador hasta los polos. El efecto Coriolis, producido por la rotación de la Tierra y la conservación del impulso, juega un papel importante aquí. La estructura oceánica también juega un papel importante y debemos observar la circulación impulsada por la densidad en el océano producida por la temperatura y la salinidad: la llamada circulación termohalina. La circulación oceánica es tridimensional y tanto las corrientes superficiales como las corrientes de aguas profundas juegan un papel importante en el transporte de calor. Las corrientes oceánicas a gran escala se ven impactadas por el efecto Coriolis, y las variaciones de profundidad en el acoplamiento entre el flujo superficial y el estrés del viento producen otro efecto importante, conocido como transporte Ekman, que discutiremos. En última instancia, cuando juntamos todas las piezas, el objetivo es llegar a una imagen coherente de cómo se combinan la energía solar, los vientos y la circulación oceánica para producir un termostato global para la Tierra.

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Se trata de soplar aire caliente

Esta imagen muestra la circulación atmosférica a gran escala en la Tierra. Obsérvese la tridimensionalidad de la circulación. En el lado derecho de la imagen las flechas muestran el flujo de aire vertical y horizontal como parte de seis celdas de convección, tres en cada uno de los hemisferios Norte y Sur. La parte central de la imagen muestra los vientos superficiales que soplan desde el este (los vientos alisios) o el oeste (The Westerlies) —nota que las Orientales Polares no se ven fácilmente en esta imagen.

Circulación atmosférica y los vientos alisios

Fuente: NASA

Circulación Hadley

Una de las cosas más importantes a entender a partir de esta imagen es que todo es impulsado por un calentamiento solar desigual en función de la latitud. La energía de nuestro Sol se centra en la región ecuatorial y se extiende comparativamente poco sobre las regiones polares. Esto es cierto en promedio anual, la Tierra recibe más energía solar en el ecuador que en los polos. Como resultado, la tierra, el agua y el aire, sobre el ecuador son cálidos, y el aire se eleva sobre el ecuador. Este aire cálido se eleva a través de la atmósfera y fluye hacia el polo como un viento de la atmósfera superior que es, esencialmente, un paquete de calor de correo aéreo conocido como una célula Hadley. La imagen aquí tiene flechas que muestran la circulación en un plano vertical a lo largo de una línea de longitud (justo al este del continente africano) pero, por supuesto, esta circulación ocurre en todas las longitudes. La circulación de Hadley es 3D; el calor se mueve hacia el polo en los vientos atmosféricos superiores y hay un flujo de retorno de norte a sur (en el hemisferio norte) que establece los vientos alisios del noreste (con la ayuda del efecto Coriolis, como veremos a continuación).

Correas de presión

La Célula Hadley se establece elevando el aire sobre el ecuador. Comienza con el calentamiento del aire que rodea el ecuador, lo que crea una gran región de presiones superficiales más bajas (debido en parte a que las columnas de aire caliente pesan menos que las columnas de aire frío). Este cinturón de baja presión ecuatorial hace que el aire se extraigan juntos en una región llamada Zona de Convergencia Intertropical (ITCZ). La convergencia de aire cálido y húmedo sobre el ecuador transporta grandes volúmenes de aire en lo alto, hasta la cima de la troposfera. Este aire está confinado verticalmente por la base de la estratosfera y así se extiende hacia el norte y el sur hacia los polos.

Debido a la forma esférica de la Tierra, el aire que fluye a postes se comprime en un volumen cada vez más pequeño a medida que se aleja de la región ecuatorial. Las masas de aire también se enfrían a medida que se mueven hacia el polo. La acumulación de aire frío hace que las presiones superficiales aumenten porque la presión superficial depende del peso de toda la columna atmosférica. La convergencia de masa y el enfriamiento también provocan la densificación de la masa de aire, lo que obliga a hundirse parte del aire en lo alto. En algún momento, normalmente ~ 30 grados. Norte/Sur, el incremento en las presiones superficiales alcanza un máximo, marcando un cinturón de alta presión subtropical. El aire que se hunde es seco y se caracteriza por la falta de nubes y precipitaciones. Estas regiones de sistemas subtropicales de alta presión son conocidas por su clima tranquilo. Las masas de aire que fluyen hacia el ecuador desde estos cinturones de alta presión forman los vientos alisios que alimentan el ITCZ, completando así la circulación de la celda Hadley. Pensamiento similar explica la existencia y circulación del viento en la Célula Ferrel (etiquetada como la célula de 'latitud media' en esta imagen) y la Célula Polar.

Actividad 1: Cinturones de Presión

Pensemos en el patrón global de la presión atmosférica. La circulación de Hadley implica un patrón sistemático de variación de presión en función de latitute. Una pregunta que podríamos hacer es las diferencias en las masas de aire dentro de una celda Hadley. Refiriéndose a la figura anterior: en qué se diferencian las masas de aire entre las extremidades ascendentes de una Célula Hadley, sobre el ecuador, en comparación con la extremidad descendente a 30 grados. ¿Norte?

• Presión Atmosférica (el enlace es externo) Comienza por rozar esta página. Mire las Figuras 7d-1 y 7d-4 y lea el texto asociado. (Nota: La animación para 7d-4 puede abrirse en una ventana Quicktime separada o descargarse en su escritorio)
• Usando estos datos, calculemos la densidad promedio para el aire a 30 grados. Norte comparado con el del ecuador. Se puede suponer que la atmósfera se extiende hasta los 70 km, que se encuentra dentro de la Mesosfera. Una fórmula útil para la relación entre presión, p, densidad, ρ, gravedad, g, y altura, h, es: p = ρgh
  • Supongamos que la presión media del aire sobre el ecuador en la superficie de la Tierra es de aproximadamente 101.3 kPa (recuerdo: 1 Pa = 1 Newton por metro cuadrado). ¿Esto concuerda con lo que ves en la figura 7d-4? En este caso, ¿cuál es la densidad promedio del aire si la columna mide 70 km de altura?
  • Ahora calcula la densidad a 30 grados norte, asumiendo una presión superficial promedio de 102.5 kPa.
• Comenta cómo varía la presión del aire en función del tiempo a lo largo del año (pista, mira la animación en la página web que acabas de leer).
• Pensando en lo que sabe sobre la capacidad calorífica y el calor latente, ¿estas diferencias de densidad tienen sentido en relación con sus expectativas de transferencia de calor por vientos a gran escala? ¿Es probable que el aire a 30 grados norte sea más frío/más cálido/más denso comparado con el del ecuador?

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