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7. Por qué existe el tiempo? En el tema anterior hemos considerado una circulación atmosférica invariante, es decir una circulación que no tiene tiempo atmosférico. Es concebible que exista tal circulación en algun planeta, lo cual haría que las condiciones atmosféricas se repitieran constantemente. No obstante, en la Tierra las fluctuaciones caóticas de las condiciones atmosféricas, conocidas como tiempo, son una característica escencial de la circulación y contribuyen significativamente a la redistribución global de calor y humedad, especialmente en las latitudes de las corrientes en chorro dominadas por los vientos del oeste. Así, juegan un papel central en el clima. El tiempo puede ser considerado como la música de la atmósfera. De la misma forma que un instrumento de música tiene modos de oscilación que son fácilmente excitados (tocando una guitarra, por ejemplo) la capa gaseosa que rodea el planeta tiene modos naturales de oscilación. El equivalente de una cuerda de guitarra es una corriente en chorro que vibra y ondula para producir los equivalentes de las notas musicales: ciclones, frentes, y otros tipos de fenómenos asociados con el tiempo. Es de notar que si bien la atmósfera puede generar su propio tiempo, para producir fluctuaciones climáticas debe cooperar con la tierra, los océanos y los hielos que la limitan. Esta cooperación es posible pues los vientos influyen y a su vez dependen  de los patrones de temperatura de superficie.  Por ejemplo, sobre los océanos los vientos inducen las corrientes, como la corriente del Golfo, que transporta grandes cantidades de calor hacia los polos, creando así patrones de temperatura en superficie que afectan los vientos. Actuando juntos la atmósfera y el océano pueden generar música que ninguno de los dos podría solo: El Niño es el ejemplo mas claro. El rango de fluctuaciones climáticas aumenta cuando las interacciones no sólo consideran la atmósfera y los océanos, sino también a la criosfera y la biósfera. Los científicos están recién comenzando a explorar estos aspectos de la variabilidad climática natural. Aquí solo nos vamos a ocupar de un aspecto de la música de nuestro planeta, su tiempo. Mas adelante nos ocuparemos del océano y de su interacción con la atmósfera. Aquí nos preguntamos, por qué existe el tiempo? La fuente de energía para el movimiento atmosférico, la radiación solar, varía escencialmente de la misma forma de un día a otro, sin embargo las condiciones atmosféricas pueden ser radicalmente diferentes. 7.1 Experimentos en laboratorio La música de la atmósfera cubre un espectro amplio de escalas espaciales y temporales. Por ejemplo, a veces podemos observar en el cielo la existencia de nubes en forma de olas (figura 7.1). Estas nubes se generan cuando existe un cortante vertical de velocidades que supera cierto umbral, causando una inestabilidad que induce ondas en una capa atmosferica. Si esta capa atmosferica contiene vapor de agua cerca del umbral de saturacion, se generaran nubes en la parte ascendente de la onda y habra cielo claro en la parte descedente. La forma de ola esta dada por el movimiento de las parcelas de aire en la onda.

El Tiempo y Su Misterio

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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