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CIRCULACION GENERAL DE LA ATMOSFERA
M. Elizabeth Castañeda 2011
Introducción a las
Ciencias de la Atmósfera
y los Océanos
En general se refiere al flujo de aire medio, vientos reales pueden variar considerablemente.
Condiciones medias ayudan a identificar los forzantes.
La causa básica de la circulación general es el calentamiento desigual de la superficie de la Tierra
Aire caliente transferido desde los trópicos hacia los polos
Aire frío transferido desde los polos hacia los trópicos
Distribución latitudinal delbalance de energía
Modelo Celda Única
� Es el modelo primitivo más elemental de circulación global.
� Sugiere la existencia de una sola celda térmica directa de circulación vertical llamada Celda de Hadley, en honor a George Hadley (1735), quien fue el primero en desarrollar este modelo clásico.
� Hadley pensaba que sólo la energía solar conducía los vientos y propuso que las mayores temperaturas del ecuador respecto a los polos deberían crear una circulación térmica.
Modelo Celda Única• Asumir
1. Superficie uniforme de agua
2. Sol siempre directamente sobre el ecuador
3. La Tierra no rota
• Resultados: enorme célula de convección ttéérmica directarmica directa (Hadley)
En el ecuador el aire cálido y menos denso asciende, durante el ascenso el aire se va enfriando, por lo que en las capas superiores se comienza a mover hacia los polos, donde el aire frío y más pesado debe descender sobre los polos.
Pero la Tierra rota…
...frenarían el spin terrestre!
Sin embargo, observaciones muestra una celda de circulación directa (celda de Hadley) restringida a ±30º latitud.
Modelo Tricelular
Mantiene suposiciones de superficie uniforme y Sol directamente sobre el Ecuador. Permite la rotación terrestre = tres celdas (Hadley, Ferrell, Polar)Alterna cinturones de presión a partir de B en el Ecuador Alterna los cinturones de viento con NE al norte del Ecuador
En el ecuador el aire más cálido se eleva, se condensa liberando calor latente y formando grandes cúmulos y cumulonimbus que producen abundante precipitación, que mantienen la densa vegetación de las selvas tropicales.
Entre el ecuador y aproximadamente los 30ºS-30ºN se produce una circulación vertical que mantiene el nombre de celda de Hadley.
1. El flujo asciende siempre desde la tormentosa región ecuatorial, donde la liberación del calor latente de condensación mantiene el aire cálido, pero en el tope de las nubes el enfriamiento radiativo aumenta la densidad del aire superior, que comienza a moverse hacia los polos y a descender hacia superficie los polos.
2. Debido a que el efecto de Coriolis se hace más fuerte cuando nos alejamos del ecuador, los vientos en altura que inicialmente se movían hacia los polos, son desviados en dirección aproximadamente oeste a este cuando alcanzan la latitud de 25º, convergen en altura aumentando al masa de aire por encima de superficie.
El aire de niveles superiores en esta celda, se mueve hacia los polos y entre 25-35º de latitud sur y norte se produce subsidencia por dos razones:
En estas regiones de subsidencia se encuentran los grandes desiertos subtropicales del mundo: el desierto de Atacama en Chile considerado el más seco del mundo, el desierto del Sahara del norte de África, el de Namibia del sudoeste de África, el gran desierto australiano y el de Baja California al sudoeste de EEUU.
Como resultado de ambas causas se produce subsidencia en la zona entre 25-35º de latitud.
Esta subsidencia, por la liberación de la humedad cerca del ecuador, es de aire muy seco, y por el efecto de calentamiento durante la compresión por el descenso del aire, se reduce más la humedad relativa.
En el centro de estas zonas de subsidencia los vientos son leves y variables y se la conoce como la zona de las latitudes de los caballos.
Desde esta latitud el flujo se separa en una rama hacia el ecuador y otra hacia los polos. El flujo de superficie hacia el ecuador es desviado por la fuerza de Coriolis, generándose los vientos alisios que tienen la característica de ser de intensidad moderada y muy persistentes en dirección. Los vientos alisios soplan del sudeste en el HS y del noreste en el HN, convergiendo en el ecuador en una región con un gradiente de presión muy débil, la Zona de Convergencia Intertropical, llamada también zona de calmas ecuatoriales (o doldrums).
LOS NUEVE LIBROS
DE LA HISTORIA
TOMO 4
HERODOTO DE
HALICARNASO
Sataspes
El aire frío de niveles superiores en las zonas polares, genera subsidencia sobre los polos, produciendo por compresión altas presiones en superficie y divergencia. A su vez la divergencia produce un flujo de aire en superficie desde los polos hacia latitudes subpolares, que es desviado por la fuerza de Coriolis, generando un sistema de vientos conocidos como los Estes polares, entre los polos y los 60ºde latitud.
Alrededor de los 60º de latitud se produce convección y flujo hacia los polos en altura, cerrándose una celda de circulación directa llamada celda Polar.
Desde la celda de Hadley, por la divergencia en latitudes medias, la rama del flujo en superficie que se separa hacia los polos, es desviado por el efecto Coriolis, produciéndose una fuerte componente hacia el oeste, generando un sistema de vientos conocidos como los vientos del oeste.
Celda de Ferrel
En la región del frente polar se produce convección desde superficie y en altura flujo mas frío hacia el norte, que desciende en la zona de subsidencia de latitudes medias, cerrándose la celda de Ferrel, que se desarrolla aproximadamente entre 30º-60º de latitud.
Celda de Ferrel
Cuando viaja hacia los polos, se encuentra con aire frío proveniente de los polos. Estas dos masas de aire de contrastantes temperaturas no se mezclan fácilmente. Están separados por una frontera llamado frente polar, donde se desplazan de oeste a este, en promedio, los centros ciclónicos que se asocian a los sistemas frontales de latitudes medias, generando un tiempo con vientos muy intensos y variables, con abundante nubosidad y precipitación.
Como depende del comportamiento de los sistemas frontales, su estructura es muy irregular, desapareciendo en ocasiones y volviéndose después a formar, y por ser indirecta, es muy inestable.
Celda de Ferrel
La celda de Ferrel es indirectaporque el aire cálido es forzado a descender en latitudes subtropicales entorno a los 30º y a moverse en superficie desde latitudes subtropicales más cálidas hacia zonas subpolares más frías, donde el aire frío es forzado a elevarse.
Esquema de las 3 celdas
Distribución global de presión y viento en superficie
a) Distribución idealizada de presión y viento en superficie
b) Modificación de la distribución zonal por la presencia de los continentes
Viento y presión media en Superficie:
El Mundo Real
Altas y Bajas semi-permanentes
Hemisferio Norte vs Sur
Las principales características cambian estacionalmente con la altura del Sol
Norte en julio
Sur en diciembre
Patrones de Circulación General y Precipitación
� Lluvia, donde el aire asciende (baja presión)
� Menos lluvia donde aire desciende (alta presión)
Trópicos y subtrópicos
Las celdas de Hadley son fácilmente apreciables en los mapas de circulación global. La zona de ascenso entre las dos celdas forma la ZCIT donde la energía necesaria para el ascenso es provista por la radiación de OL de la superficie terrestre y la liberación de calor latente durante la condensación en la formación de cumulus.
La baja presión asociada es más intensa sobre los continentes tropicales y el océano Pacifico occidental: estas son las regiones mas importantes de ascenso de aire cálido y húmedo. La ZCIT y las bajas presiones asociadas son desplazadas hacia los polos del hemisferio de verano: hacia el sur en América del Sur, África, e Indonesia/Australia en enero, y hacia el norte en el norte de África y el Himalaya en julio.
La posición más al norte de la ZCIT es en julio sobre la India debido al intenso calentamiento de la región durante el inicio del verano.
El desplazamiento hacia el norte/sur de la ZCIT provoca un cambio estacional en el patrón de vientos. En India, los vientos son del SW durante el verano, transportando aire húmedo sobre el continente y de dirección N durante el invierno transportando aire frío y seco desde los Himalayas.
MonzonesMonzones
La circulación de latitudes medias se debe a las interacciones entre el aire subtropical y polar tal como lo indica el modelo de 3 celdas.
Esta interacción es más sencilla en el HS donde los océanos circundan completamente el globo y existen pocas interrupciones continentales entre 40°S y 65°S. Una zona de baja presión se extiende entre los anticiclones subtropicales y la alta presión antártica. Esta zona se conoce como frente polar y estácaracterizada por una serie de sistemas ciclónicos del tiempo con marcado ascenso de aire cálido que interactúa con aire frío polar que se desplazan a lo largo de los vientos del oeste.
Latitudes medias
Estos ciclones también conocidos como depresionesson tormentas que se forman donde se encuentran el aire cálido con el frío y se ven envueltos uno en otro en el proceso de mezcla.
En el HN el proceso es más complejo y esta fuertemente influenciado por el contraste océanos-continentes. Sobre los océanos aparecen la Baja de las Aleutianas y la Baja de Islandia. Estas zonas no son permanentes como los anticiclones subtropicales, pero en promedio se observan debido al frecuente pasaje de ciclones a lo largo del frente polar.
Los continentes del HN tiene patrones climáticos característicos.
Durante el invierno se forma una circulación anticiclónica sobre Siberia (el anticiclón Siberiano) y en menor medida sobre Canadá.
Estas masas de aires son extremadamente secas y frías y la temperatura puede ser inferior a -50°C. Este comportamiento se debe a la cobertura de nieve con alto albedo y las bajas temperaturasresultantes.
En forma inversa, durante el verano se desarrollan masas de airecálido. Los sistemas del tiempo provenientes del oeste y que se originan en los océanos pueden penetrar en los continentes, especialmente en América del Norte y transportar humedad.
En los niveles altos de la atmósfera el viento no es del Este como lo pronostica el
modelo de 3 celdas. En ambos
hemisferios el flujo es del
oeste.
Patrones de flujo de viento y de presión medios en altura
� Gradientes de temperatura y de presión a gran altura Norte-Sur en altura crea vientos de Oeste-Este, sobre todo en latitudes medias y altas.
La troposfera superior: vientos del oeste
•Aspectos importantes:
•La presión disminuye mas rápidamente en el aire frío
•La temperatura en la baja troposfera disminuye hacia los polos
•Se crean gradientes de presión en altura
PGF: Fuerza gradiente de presión
Altura y dirección del viento en 500 hPa
Enero Julio
Vientos del oeste
La existencia de los vientos del oeste en altura tanto como en superficie se debe a los patrones horizontales de presión atmosférica:
• En las regiones subtropicales, el aire en los niveles altos (aprox. 10 km de altura) es relativamente cálido y tiene relativamente alta presión. En contraste, en latitudes altas, el aire en ese nivel es más frío y la presión es relativamente más baja
• Las diferencias en temperatura y presión inducen el movimiento del aire desde el Ecuador hacia los polos que es desviado por la fuerza de Coriolis hacia la derecha en el HN y hacia la izquierda en el HS.
Vientos del oeste
Los oestes de altura tiene un movimiento ondulatorio, circundando el planeta formando meandros: entre 3 y 6 alrededor del globo
denominadas ondas de Rossby
meandro
Corrientes en Chorro� El gradiente de presión ecuador-polo aumenta con la
altura por lo que la intensidad de los vientos del oeste aumenta.
� Inmersas en los oestes se producen angostas franjas de vientos muy intensos, que serpentean por miles de kilómetros de largo como ríos de aire, por esta analogía se les llama corrientes en chorro o jets.
� Características• Altura: 7.5 a 12 km• Ancho: 100 y 500 km• Espesor vertical: 1 a 2 km• Velocidad del viento: 80-200 km/h
Las corrientes en chorro se producen cuando grandes contrastes de temperatura en superficie pueden originar mayores gradientes de presión en niveles superiores, y por lo tanto aumentan la velocidad del viento.
Como los mayores contrates de temperatura se producen en las zonas frontales en latitudes medias se produce la corriente en chorro polar asociada al frente polar, que serpentea con movimiento neto de oeste a este, pero tomando a veces orientación N–S.
En latitudes subtropicales existe otra corriente en chorro subtropical, semipermanente, que se produce sólo en invierno, en torno a 25º de latitud y alrededor de 12 km de altura.
Corrientes en Chorro
� Polar y subtropical del jet• Establecido por intensos gradientes de temperatura y de presión entre las células de circulación.
• Entre la celda tropical-latitudes medias (subtropical) y la celda de latitudes medias-polar (polares)
• Gradientes mayores en chorro polar
� Tema: Cantidad de Movimiento• Bajas latitudes: atmósfera gana cantidad de movimiento• Altas latitudes: atmósfera pierde cantidad de movimiento
• Conservación de cantidad de movimiento
(a) un modelo que presenta una vista vertical tridimensional del frente polar con un rápido descenso de la superficie de 500 hPa, una isoterma (en línea punteada) y la posición de la corriente en chorro polar en invierno.
(b) Carta de 500 hPa que corta el frente polar como lo ilustra el diagrama (a) la superficie de 500 hPa. Profundos contrastes de temperatura a lo largo del frente producen líneas de contorno firmemente compactadas y fuertes vientos.
Momento angular = masa x velocidad de rotación x distancia al eje de rotación
Cuando la patinadora junta sus brazos aumenta la velocidad de rotación
El aire que fluye hacia el polo en la tropopausa se mueve más cerca del eje de rotación terrestre (r2 es menor que r1).
Esta disminución del radio es compensado por un aumento en velocidad y la formación de una corriente en chorro.
Momento angular = m * r * v
A medida que la parcela se desplaza desde el Ecuador hacia 30°, aumenta su velocidad para conservar el momento angular.
Al mismo tiempo la fuerza de Coriolis actúa para producir vientos del oeste intensos: el jet subtropical. Un jet similar se forma en 60°: el jet polar.
Los continentes producen perturbaciones el modelo conceptual descripto anteriormente: en lugar de corrientes en chorro del oeste, se obtienen jets superpuestos con un movimiento ondulatorio.
Los oestes y el transporte de calor
Balance de energía en el sistema Tierra-atmósfera
Los oestes y el transporte de calor
•La función principal de la dinámica de la atmósfera es transportar calor desde el Ecuador hacia los polos
•Cómo se puede realizar este transporte si los vientos predominantes son zonales (oeste a este o este a oeste)?
•Las ondas (con componente meridional, norte a sur o sur a norte) inmersas en las corrientes en chorro mezclan en forma continua el aire cálido con el frío transportando de esta forma calor.
Ondas de Rossby
Las corrientes en chorro son inestables: las perturbaciones tienden a amplificarse formando cuñas y vaguadas de gran amplitud, favoreciendo la formación de ciclones y frentes.
Ondas de Rossby
Las ondas de Rossby fueron descubiertas por el meteorólogo sueco Carl-Gustaf Rossby (1898-1957), quien contribuyó a fundar los pilares sobre los cuales descansa la dinámica de fluidos geofísicos.
Cuando se intensifican los contrastes de temperatura norte-sur, la amplitud de las ondas crece, el flujo del oeste se hace más ondulante y en ciertas regiones del globo adquiere componente norte-sur. Esta situación continúa y las ondas se rompen en ciclones, donde se producen fuertes vientos norte-sur, transportando calor en dirección meridional, lo que reduce el contraste de temperatura. Después se restablece el flujo neto del oeste.
Estos ciclos son consistentes con períodos alternados de temporales y de buen tiempo, con duración de una a varias semanas. De esta forma es como los vientos del oeste contribuyen a regular el contraste de calor global entre el ecuador y los polos.
