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Es concebible que exista tal circulación en algun planeta, lo cual haríaque las condiciones atmosféricas se repitieran constantemente
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7.Porquexisteeltiempo?
Eneltemaanteriorhemosconsideradounacirculacinatmosfricainvariante,esdecirunacirculacinquenotienetiempoatmosfrico.Esconcebiblequeexistatalcirculacinenalgunplaneta,locualharaquelascondicionesatmosfricasserepitieranconstantemente.Noobstante,enlaTierralasfluctuacionescaticasdelascondicionesatmosfricas,conocidascomotiempo,sonunacaractersticaescencialdelacirculacinycontribuyensignificativamentealaredistribucinglobaldecaloryhumedad,especialmenteenlaslatitudesdelascorrientesenchorrodominadasporlosvientosdeloeste.As,jueganunpapelcentralenelclima.
Eltiempopuedeserconsideradocomolamsicadelaatmsfera.Delamismaformaqueuninstrumentodemsicatienemodosdeoscilacinquesonfcilmenteexcitados(tocandounaguitarra,porejemplo)lacapagaseosaquerodeaelplanetatienemodosnaturalesdeoscilacin.Elequivalentedeunacuerdadeguitarra esunacorrienteenchorroquevibray ondula paraproducir los equivalentesde las notasmusicales:ciclones,frentes,yotrostiposdefenmenosasociadosconeltiempo.
Es de notar que si bien la atmsfera puedegenerar su propio tiempo,paraproducir fluctuacionesclimticasdebecooperarconlatierra,losocanosyloshielosquelalimitan.Estacooperacinesposiblepueslosvientosinfluyenyasuvezdependendelospatronesdetemperaturadesuperficie.Porejemplo,sobrelosocanoslosvientosinducenlascorrientes,comolacorrientedelGolfo,quetransportagrandescantidadesdecalorhacialospolos,creandoaspatronesdetemperaturaensuperficiequeafectanlosvientos.Actuandojuntoslaatmsferayelocanopuedengenerarmsicaqueningunodelosdospodrasolo: El Nio es el ejemplo mas claro. El rangode fluctuaciones climticas aumenta cuando lasinteraccionesnosloconsideranlaatmsferaylosocanos,sinotambinalacriosferaylabisfera.Loscientficosestnrecincomenzandoaexplorarestosaspectosdelavariabilidadclimticanatural.
Aqusolonosvamosaocupardeunaspectodelamsicadenuestroplaneta,sutiempo.Masadelantenosocuparemosdelocanoydesuinteraccinconlaatmsfera.Aqunospreguntamos,porquexisteeltiempo?Lafuentedeenergaparaelmovimientoatmosfrico,laradiacinsolar,varaescencialmentedelamismaformadeundaaotro,sinembargolascondicionesatmosfricaspuedenserradicalmentediferentes.
7.1Experimentosenlaboratorio
Lamsicadelaatmsferacubreunespectroampliodeescalasespacialesytemporales.Porejemplo,avecespodemosobservarenelcielolaexistenciadenubesenformadeolas(figura7.1).Estasnubessegeneran cuandoexiste un cortante vertical de velocidadesque supera cierto umbral, causandounainestabilidadqueinduceondasenunacapaatmosferica.Siestacapaatmosfericacontienevapordeaguacercadelumbraldesaturacion,segenerarannubesenlaparteascendentedelaondayhabracieloclaroenlapartedescedente.Laformadeolaestadadaporelmovimientodelasparcelasdeaireenlaonda.
Figura7.1Formacinnubosacreadaporinestabilidaddeuncortantedevelocidadesvertical(nubesdeKelvinHelmholtz).
Otrasfluctuacionesatmosfericasdemayorescalaocurrencuandolascorrientesenchorrosevuelvenonduladas.Avecesestasondulacionesdelascorrientesenchorrosontanenergeticasquedesprendeunloopcreandopatronescomplejosdeciclonesyanticiclones.Unaparatoqueilustracomolosmeandrosdelascorrientesenchorro,yporlotantoeltiempo,dependededosparametroscriticoslarazonderotacionyladiferenciadetemperaturaentreelecuadorylospolosesuntanqueenformadeanillollenodeagua.Eltanquerepresentalaatmosferayesubicadosobreunamesarotatoria.Enausenciadediferenciadetemperaturaentreelcilindrointernoyelexternoelaguayeltanquerotancomouncuerporigido,esdecir, laatmosferanosemueverelativaa laTierra.Siseenfriaelcilindroexternoysemantienecalienteel cilindro internoel aguacomienza a moverse relativa al tanque, simulando lascorrientesenchorro.Lavelocidaddelflujo(laintensidaddelacorrienteenchorro)esproporcionalaladiferenciadetemperaturaentrelosdoscilindros(ecuadorpolo).Porlotanto,amedidaqueaumentaladiferenciadetemperatura,lacorrienteenchorrovacadavezmasrapido.Avelocidadespequenaselflujoesencirculosperfectos.Noobstante,unavezqueelflujoalcanzounaciertavelocidadcriticacomienzanaaparecerondulacionesenelchorroespontaneamente.Estasondulacionessonalcomienzomodestas,pero a velocidades altas (gran diferencia de temperatura entre los cilindros exterior e interior) lasondulacionescrecenhastaconvertirseenoscilacionescaticas(figura7.2).
Esto explicapor que la corriente en chorro es mayor en inviernoque en verano: la diferencia detemperaturaentreecuadorypoloesmuchomayoreninvierno.Elveranonoessolomascalurosoqueelinvierno, el tiempoqueocurre enveranoes diferente (causadopordiferentesmecanismos) queeninvierno.
Figura7.2Patronesdeflujoenunfludoenuntanqueconformadeanilloquerotaycuyoscilindrosinterioryexteriorsonmantenidosadiferentetemperatura.Laslneascorrespondenaisotermasamediaaltura.Latransicindeflujolaminaraturbulentosedaincrementandolaraznderotacindeltanquede
unafiguraalaotra.
Elcontrastede temperaturaentreelecuadory lospolos,yentre la tierray losoceanosponea laatmosferaenmovimiento,creandolosvientosquegeneranelclima.Estosvientossontalesquevibranespontaneamente(sondinamicamenteinestables)produciendoeltiempo.Losvientos,asuvez,dependende laestacion,omasengeneral,cuandoelclimacambia.Oseaque lascaracteristicasdel tiempodependendelclima.Peroloopuestotambienesverdad, lasfluctuacionesdiariasdeltiempopuedeninfluenciarelclima.Porejemplo,lastormentastransportancalordelospolosalecuador.Asi,sibienlastormentas de invierno, el pasaje de frentes, son usualmente consideradas comouna molestia paranosotros,enrealidadestancontribuyendoaaumentarelrangodelatitudeshabitableconsiderablemente.Asi,eltiempocontribuyeadisminuireldecifitdeenergiaenlospolosyelsurplusdeenergiaenelecuadormostradoenlafigura4.6.
7.2Teoriadelascorrientesenchorro
Comovimoslascorrientesenchorrojueganunpapelpreponderanteenlageneraciondeltiempo.Porqueexisten?Enunaseccionanteriorexplicamoslaexistenciadelascorrientesenchorrocomoresultadodelaconservaciondemomentoangulardeunaparcelaquesemuevedelecuadoralospolos.Aquimostramosporqueestansituadosaalrededorde3040delatitudyqueelaumentodelavelocidadconlaalturaquecaracterizaalascorrientesenchorroesconsistenteconlaspropiedadestermodinamicasdelaatmosfera.
7.2.1Teoremadelespesor
Enlaatmosferalavariacinverticaldelapresinydensidadesmuchomayorquelavariacinhorizontaly temporal.Paradeterminar la variacinmediaverticalde la presin, consideremosunaatmsferaidealizadaquerepresentalaestructuramediahorizontalytemporaldelaatmsfera,enlacuallasfuerzasverticalesestnenequilibrio.
Analicemosunacolumnaverticaldeaireconseccinrectadereaunitaria(figura7.3).Lamasadeaireentrelasalturaszyz+dzesdz,dondeesladensidaddelaireenlaalturaz.
Figura7.3Columnaverticaldeaire
Lafuerzadegravedadactuandosobreunacapadeaireesgdz,dondegeslaaceleracindelagravedadenlaalturaz.Suponemosqueentrelaalturaz+dzylaalturazlapresinvariadp,lapresinporencimaenlacarainferioresmayorquelapresinparaabajoenlacarasuperiorenunacantidaddp.Porlotanto,lafuerzaverticalresultantesobrelacapa,debidaalgradientedepresin,haciaarribaestadadapordp.Elequilbrioexigeque:
(Ecuacinhidrosttica)
Silapresinenlaalturazesp(z),tenemos
ocomop(infinito)=0:
Estosignificaquelapresinenelnivelzesigualalpesodelairequeestarribadeestenivelenlacolumnaverticaldeseccinrectaconreaunitaria.Silamasadeatmsferaestuvieseuniformementedistribuidasobreelglobo,lapresinalniveldelmar(z=0)sera1013mb(milibares),quesedenominapresinatmosfricanormal.
Parasabercomolapresinvaraenlavertical,vamosasubstituirenlaprimeraecuacinusandolaecuacindelosgasesideales(considerandoquelaatmsferaobedeceestaley):
DondeResunaconstantedelgas(paraelaireseco)yTeslatemperatura(enlaescalaKelvin).Entonceslaecuacionhidrostaticaqueda:
SuponiendogconstanteyTconstanteconlaaltura(atmsferaisotrmica)eintegrandoentredosnivelesz1yz2,cuyapresinesp1ep2,
p1p2 dp
p= gRTz1
z2 dz
obtenemos
Dondelnsignificalogaritmonaturaloneperiano,cuyabaseeselnmeroe=2,718.
Delaecuacinanteriorseobtiene:
Donde
Esdecirquecuandoaumentalatemperatura,aumentaelespesordelacapadeatmsfera(H)sinvariarlapresinpdelaireenesaalturayaldisminuirlatemperatura,disminuirelespesor.Deloexpuestosurge
quehayunarelacinlinealentreelespesordeunacapadeaireysutemperatura.Esteeselteoremadelespesordeunacapadeaire.
7.2.2Vientotermico
Siseconsiderandosporcionesdeaire,unamscalientequelaotra,yseefectauncortemeridional,suponiendoquelaporcincalienteestdelladoecuatorialylafradelladopolar,entreambashabrunazonadetransicin,comomuestralafigura7.4
Figura7.4Equilibriodefuerzasparaelcasodeisobarasnohorizontales
Enelanlisisdelafigura7.4sesupondrquealolargodeunparalelolapresinsemantieneconstante(p()=cte.),yquelomismoocurrealolargodeunmeridiano,esdecir,novaraconeltiempo.Adems,la temperaturade superficie, dentrodecadaporcindeaire, es constante, aunquecadazona tienediferenteestadotrmico.Encadaporciondeairelafuerzadebidaalgradientedepresin(P)estequilibradaconlagravedad,enconsecuencia,laspartculasestnenreposo,esdecirquenohayviento.
Enlazonafra,losespesoressonmenoresqueenlacaliente,oseaquelasdistanciasentreisobarassonmenoresenelairefroqueenelcaliente.
Sepuedeafirmarqueparaigualpresinensuperficieendosmasasdeairedediferentescondicionestrmicashayunaaltura,aunamismaaltitud,altapresinenelairecalienteybajaenelairefro.EstosecompruebacomparandolosvaloresdepresinenlospuntosAyBdelafigura7.4.
El campode isobaras se denomina campo brico y en la zona de transicin la temperatura vararpidamente,esdecir,elgradiente(T)delatemperaturaesgrande.
Cuandoenuncortevertical,comoenlafigura,lassuperficiesdepresinytemperaturasonparalelas,se
dicequeexistebarotropia,entanto,quesiseinterceptanentres,sedicequelaatmsferaesbaroclinica,oquehaybaroclinicidad,comosepuedeapreciarenlazonadetransicin.Adems,enestazona,elgradientehorizontaldelapresinnoesnuloyaumentaconlaaltura.Estosevehaciendouncortehorizontal comoel AB:a mayor inclinacin tendremos mayorcantidadde isobaraspor unidaddelongitud.Seveclaramenteeneldiagramavectorialparalapartculam,pueslafuerzadebidaalapresin(P)esnormalalasisobarasydirigidahacialabajapresinytienedoscomponentes:unavertical(Gv)queseequilibraconlafuerzapesodebidaalagravedad,yunahorizontal(Gh)queesbalanceadaporlafuerzadeCoriolisyresultaenunvientogeostroficoenladireccionperpendicularalpapel.ComolacomponentehorizontalGhaumentaconlaaltura,lavelocidaddelvientogeostroficoaumentaraconlaaltura.Esteaumentodelvientogeotroficoconlaalturasedenominavientotermico.
7.2.3Corrientesenchorro
Enlaseccionanteriorvimosqueelvientotiendeaaumentarconlaalturaenunabandadelatitudessiesabandaestaentredosmasasdeairedediferentestemperaturas.Estaeslasituaciondelascorrientesenchorroqueseubidaentrelamasadeairecalidatropicalylafriapolar.Ahora,porquelacorrienteenchorroesmaximaalaalturadelatropopausa?Latropopausasedefinecomolaalturadondelatemperaturadejadedisminuirycomienzaaaumentar.Estainversinenelcampotrmicoproduceunainversinenelcampobrico,locualdaralugaraquecentros frosensuperficiecorrespondencentroscalientesenalturaporencimade la tropopausa, yviceversa,comomuestralafigura7.5.
Figura7.5Centrosfrosensuperficiecoincidenconcentroscalientesenalturayviceversa
Comosevequeloscentroscalientessetransformanenfros,habrunavariacindelosgradientesdepresinconlaaltura,yellotraeraparejadouncambioenladireccindelviento.Estosemuestraenlafigura7.6.Elvalormximodelvientosedaraaproximadamenteenelniveldelatropopausa,definiendolaalturadelavelocidadmaximadelascorrientesenchorro.
Figura7.6Variacindeladireccindelvientoconlaaltura
Comoenelcasodelatemperatura,elgradientedepresinenlamitaddelaatmosferacumpleademsque:
(P/)invierno> (P/)verano
Deellosepuedeinferirquelosvientosdeloestesonmsintensoseninviernoqueenelverano(figura7.7).Cuandolacorrienteenchorroenunhemisferioesintensa,enelotrohemisferioesrelativamentedebil. Esto se da pues pues la diferencia de presion (temperatura) entre ecuadorpolo esta dadaprincipalmentepor lasvariacionespolares,ya que en la zonaecuatorial (entre los dos trpicos) latemperaturavaramuypoco,dadoquelainclinacindelosrayossolaresnocambia.
Figura7.7Componentemediadelvientoendireccionesteoeste(enm/s),paraDJFarribayJJAabajo(ERA40).
Referencias Isthetemperaturerising?Theuncertainscienceofglobalwarming.G.Philander