Circulación en la Atmósfera: _{La inclinación, la órbita, la rotación y la redistribución de la energía de la Tierra}

La forma, inclinación y órbita de la Tierra

La energía que la Tierra recibe del sol juega el papel más importante en la determinación de la temperatura promedio global de nuestro planeta (ver Factores que ^ ~ controlan la temperatura de la Tierra para obtener más explicaciones). Pero no todos los lugares de la Tierra tienen la misma temperatura y clima. Una razón importante de esta variación es que las diferentes latitudes de la Tierra reciben cantidades muy diferentes de radiación solar entrante, conocida como insolación. Esto se debe a que nuestro planeta es una esfera, por lo que la luz solar entrante golpea diferentes latitudes en la superficie de la Tierra en diferentes ángulos y la misma cantidad de energía se ^ ~ se extiende sobre un área más pequeña o más grande. En latitudes más bajas cerca del ecuador, la radiación solar incide en la superficie casi perpendicularmente, mientras que más cerca de los polos, entra en un ángulo cada vez más oblicuo (ver Figura 1).

luz solar diferentes latitudes de la superficie de la Tierra. Más lejos del ecuador, en latitudes altas, la energía del sol tiene que atravesar más atmósfera, representada por la longitud de las líneas negras, y se extiende sobre un área más grande en la superficie, mostrada por el tamaño de los óvalos. Más cerca del ecuador y en latitudes bajas, la energía del sol tiene que atravesar menos atmósfera. La banda de latitud entre 23,5 ° N (el Trópico de Cáncer) y 23,5 ° S (el Trópico de Capricornio) se llama trópico. ">

Como resultado, la cantidad de energía del sol que golpea la superficie cerca del ecuador y se ^ ~ se extiende sobre un área relativamente pequeña en los trópicos ^ ~ se extiende sobre un área mayor en latitudes altas, más cerca de los polos. (Figura 1, óvalos amarillos), por lo que la insolación es menor en latitudes más altas. De hecho, la insolación es aproximadamente un tercio menos que en el ecuador en Los Ángeles, a 34 ° N, y en Juneau, Alaska, a 58 ° N, la insolación es aproximadamente la mitad que en el ecuador.

La insolación en latitudes altas se reduce aún más por dos razones adicionales. Primero, el ángulo bajo de la luz entrante ^ ~ la fuerza a atravesar más atmósfera, como se muestra en la Figura 1 por la longitud relativa de las líneas negras: la línea cerca de Juneau, Alaska, es mucho más larga. Los gases y partículas de la atmósfera absorben y dispersan la radiación, disminuyendo la cantidad de energía que llega a la superficie. En segundo lugar, el ángulo bajo de la luz solar entrante hace que se refleje más radiación que llega a la superficie, de la misma manera que se refleja la luz que golpea el agua en un ángulo bajo (como al atardecer).

Si el ecuador de la Tierra estuviera en el mismo plano que la órbita de la Tierra alrededor del sol, la diferencia latitudinal en la insolación permanecería igual durante todo el año. Sin embargo, el ecuador de la Tierra está inclinado en un ángulo de 23,5 ° con respecto al plano de la órbita de la Tierra, como se ilustra en la Figura 1. La banda latitudinal entre 23,5 ° norte y sur se llama trópico, y es la región que recibe más " energia del sol. Debido a la inclinación de la Tierra, el Polo Norte apunta ligeramente hacia el sol durante aproximadamente la mitad de su órbita anual alrededor del sol (de abril a septiembre), mientras que el Polo Sur apunta ligeramente hacia afuera. Durante la otra mitad del año (octubre a marzo), ocurre lo contrario.

Cualquiera que sea el polo que esté inclinado hacia el sol, ese hemisferio recibe más radiación solar y experimenta el verano, mientras que el hemisferio opuesto experimenta el invierno. Las diferencias estacionales se amplifican por el hecho de que el sol permanece sobre el horizonte durante más horas al día en el hemisferio de verano, lo que permite que la superficie absorba aún más radiación. Si bien es posible que haya pensado que las estaciones fueron causadas por cambios en la distancia entre la Tierra y el sol que resultan de la órbita elíptica de nuestro planeta, ese no es el caso. La diferencia de insolación que resulta de ese cambio en la distancia es pequeña en comparación con la diferencia de insolación que resulta de la inclinación de la Tierra, que es el principal determinante de las estaciones.

Desequilibrio energético ^ ~ de la Tierra

Resumiendo en el transcurso de un año, los polos reciben menos insolación que los trópicos, a pesar de que el sol brilla las 24 horas del día durante el verano polar. Eso se debe a dos razones. En primer lugar, la radiación en las latitudes altas siempre está en un ángulo oblicuo, nunca directo, por lo que viaja a través de más atmósfera (como puede ver en la Figura 1) y también es más probable que se refleje. En segundo lugar, superficies como la nieve y el hielo, que son comunes en los polos, tienen un albedo más alto y, por lo tanto, reflejan una gran fracción de la radiación entrante. El resultado es que la cantidad de energía solar absorbida en la superficie alcanza su punto máximo en los trópicos (la línea roja en la Figura 2).

Sin embargo, la Tierra también está perdiendo energía en todos los puntos de su superficie. Incluso si no puede verlo, ha experimentado este tipo de energía antes, tal vez de pie sobre el asfalto en un día soleado de verano o poniendo la mano sobre una sartén en la estufa para ver si hace calor. Como el asfalto o una estufa caliente, todo lo que nos rodea emite radiación infrarroja de longitud de onda larga (consulte Factores que ^ ~ controlan la temperatura de la Tierra para obtener más explicaciones) . Es por eso que la Tierra mantiene una temperatura constante: si siguiera absorbiendo la radiación solar, se volvería más y más cálida. Los polos pierden algo menos de energía que los trópicos, porque son más fríos y emiten menos radiación (la línea azul en la Figura 2). Pero lo que se pierde en latitudes altas es mayor que la cantidad absorbida de la radiación entrante. Esto se muestra mediante la línea negra en la Figura 2, donde la radiación neta (entrante menos saliente) es positiva cerca del ecuador y negativa cerca de los polos. En otras palabras, existe un excedente neto de energía en los trópicos y un déficit energético neto cerca de los polos.

Este desequilibrio de energía impulsa movimientos a gran escala de aire y agua que redistribuyen la energía en todo el sistema terrestre a través de procesos familiares como el viento y las corrientes oceánicas, los cuales representan partes de los sistemas de circulación global. Estos sistemas de circulación juegan un papel importante en la determinación del clima en diferentes lugares del mundo. También son importantes para los humanos, que han confiado en estos sistemas de circulación durante siglos, mucho antes de que comprendieran qué los causaba.

Redistribución de energía a través de la circulación de aire

Cuando Cristóbal Colón navegó hacia el Nuevo Mundo en 1492, él y su tripulación tardaron poco más de un mes en hacer el viaje de 6.000 kilómetros desde las Islas Canarias frente a la costa de África hasta el Caribe (ver el ^ ~ línea roja continua en la Figura 3). Colón no estableció un rumbo en línea recta hacia el oeste desde la costa de Portugal, sino que primero navegó hacia el sur hacia el ecuador y luego se dirigió hacia el oeste desde las Islas Canarias, atrapando vientos que soplaron de noreste a suroeste. En meteorología, los vientos reciben el nombre de la dirección desde la que soplan, por lo que estos vientos se denominan vientos del este.

Colón usó los vientos del este para conducir sus barcos en la dirección en la que quería ir en sus cuatro viajes (ver Figura 3). Fue uno de los primeros exploradores en utilizar esta característica del sistema climático a su favor, o al menos, el primero en darlo a conocer: él y otros fueron astutos observadores y registradores de la dirección y velocidad del viento, y el diario de Colón. La entrada del diario casi siempre incluye una declaración sobre la naturaleza del viento, así como la corriente (Columbus, 1493). A medida que más y más barcos cruzaban el Océano Atlántico hacia las islas del Caribe para traer especias y otras mercancías, estos vientos constantes se conocieron como los "vientos alisios". Si bien confiaba mucho en ellos, prácticamente en ninguna parte de sus diarios Colón especula sobre por qué los vientos alisios soplaron como lo hicieron. En ese momento, la mayoría todavía confiaba en la explicación de Aristóteles en su publicación de 350 a. C. Meteorología , en la que afirmaba que el viento era una exhalación vertical de la Tierra que se movía horizontalmente siguiendo el movimiento de los cielos (Aristóteles, 350 BCE), una noción que colocó a la Tierra en el centro del universo.

Cincuenta años después de que Colón regresara de su primer viaje, en 1543, Copérnico publicó su modelo heliocéntrico del sistema solar, donde una Tierra en rotación viajaba alrededor del sol. Pero no fue hasta 1616, más de cien años después del primer viaje de Colón, que Galileo Galilei sugirió que los vientos alisios podrían tener algo que ver con la rotación de la Tierra, que podrían ocurrir porque la Tierra giraba demasiado rápido para la atmósfera. para mantenerse al día. Dado que el planeta gira hacia el este, esto haría que los vientos parecieran soplar en la dirección opuesta, de este a oeste. Galileo aplicó el modelo de Copérnico a los procesos que ocurren en la Tierra, no solo al movimiento aparente de las estrellas. Sin embargo, si estas ideas fueran correctas, los vientos en todas partes de la Tierra soplarían en la misma dirección, lo que sabemos que no es el caso (consulte la Figura 4 para comparar los vientos observados y los vientos pronosticados).

Aproximadamente 70 años después, varios científicos convergieron en explicaciones similares para los vientos alisios. En una reunión de la Royal ^ ~ Society de Londres en 1686, Edmond Halley, físico y astrónomo inglés, propuso que los vientos alisios surgían del intenso calentamiento solar de los trópicos (Halley, 1686). Halley pensó que el aire caliente seguiría al sol durante el día, lo que lo empujaría de este a oeste para formar los vientos alisios. Compiló y describió las direcciones del viento de diferentes regiones, invocó la idea de que el aire caliente se expande y representó sus ideas en un mapa, que se muestra en la Figura 5. Halley estaba en algo. Como se explicó anteriormente, los trópicos reciben una intensa radiación solar. Esta energía calienta la superficie y el aire que está justo encima de ella, y como el aire caliente es menos denso que el aire frío, se eleva a la atmósfera.

! - Figure 5 ->

Pero Halley y otros miembros de la Royal ^ ~ Society todavía tenían dificultades para desarrollar una explicación convincente de por qué los vientos alisios soplan desde el noreste en el hemisferio norte y el sureste en el hemisferio sur, no solo de este a oeste.

Medio siglo después, un meteorólogo inglés llamado George Hadley propuso una nueva idea en un artículo en las Philosophical Transactions (Hadley, 1735). Se benefició de observaciones más detalladas del viento y las corrientes realizadas por varios marineros, incluido William Dampier, un pirata inglés, cuyo relato de 1699 de sus viajes incluía un “Capítulo de los vientos” como apéndice. Dampier describió la fuerza y ​​dirección de los vientos a través de los océanos del mundo, incluyendo tablas con latitud, longitud y dirección del viento (Dampier, 1699). Hadley hizo uso de este y otros relatos y realizó un experimento mental, primero imaginando cómo circularía el aire cuando el sol lo calentara en una Tierra que no giraba. Describió cómo, si el aire calentado por el sol se elevara sobre los trópicos, el aire entraría para llenar el vacío. Este aire vendría tanto del norte como del sur y fluiría hacia el ecuador, creando grandes celdas de convección ^ ~ en las que el aire caliente se elevaba en los trópicos, fluía hacia el norte hacia el polo a medida que se enfriaba, luego se hundía y fluía hacia el sur para reemplazar el creciente. aire (ver Figura 6).

! - Figure 6 ->

Luego, en su experimento mental, puso la Tierra en movimiento e imaginó cómo se verían afectadas estas ^ ~ células de convección. Descartó la idea de Halley de que los vientos seguían el camino del sol a través del cielo, lo que haría que el viento cambiara de dirección a mediodía, todos los días. Luego describió cuidadosamente cómo un punto en la superficie de la Tierra (y el aire sobre él) en el ecuador tenía que viajar más lejos que un punto en cualquier otra latitud a medida que la Tierra giraba y, por lo tanto, también viajaba más rápido. ¿Por qué es este el caso? Cada punto de la superficie de la Tierra completa una rotación en la misma cantidad de tiempo: un día de 24 horas. Sin embargo, la distancia que tiene que recorrer cada punto para completar esa rotación depende de su latitud. En el ecuador, un punto en la superficie viaja más lejos para completar una sola rotación, mientras que cerca de los polos, un punto en la superficie apenas se mueve. Por tanto, la velocidad a la que gira un punto de la superficie depende de su latitud (ver Figura 7). Hadley razonó que, a medida que el aire de latitudes altas fluye hacia el ecuador para reemplazar el aire ascendente calentado por el sol, los trópicos que giran más rápido girarían desde debajo. Desde la superficie, esto haría que pareciera que este flujo de aire se desvió hacia el oeste. En otras palabras, el aire de la superficie soplaría desde el noreste en el hemisferio norte y desde el sureste en el hemisferio sur.

! - Figure 7 ->

Usando la misma lógica, Hadley contabilizó los vientos del oeste que ocurren al norte y al sur de la banda de vientos del este, o vientos alisios. Los vientos del oeste comenzaron, notó, en la latitud donde el aire caliente que se había elevado desde cerca del ecuador se había enfriado lo suficiente como para hundirse hacia la superficie. Debido a que este aire se movía ahora más rápido que la Tierra debajo de él, a medida que se movía hacia el norte, se desviaría hacia el este (ver Figura 7).

Hoy en día, conocemos el concepto que Hadley describió como el efecto Coriolis, que lleva el nombre del matemático e ingeniero francés Gaspard-Gustave de Coriolis, quien publicó un artículo en 1835 que describe la energía y el movimiento aparente en ruedas hidráulicas y otras máquinas giratorias (Coriolis, 1835 ). El propio Coriolis no aplicó sus ideas a la atmósfera de la Tierra: no fue hasta principios del siglo XX que los principios descritos por Coriolis se aplicaron a las observaciones de Hadley de los vientos. A veces oirás que esto se llama fuerza de Coriolis, que es un nombre inapropiado, porque no es una verdadera fuerza física como la gravedad. En cambio, el efecto Coriolis es una fuerza aparente inducida por la rotación de la Tierra.

Punto de Comprensión

Cristóbal Colón fue la primera persona en sugerir que los vientos alisios fueron causados por la rotación de la Tierra.

a. verdadero Incorrect.

b. falso Correct!

La celda ^ ~ Hadley ^ ~ y la ^ ~ Zona de convergencia intertropical

Con el tiempo, los científicos se dieron cuenta de que la explicación de Hadley era en gran parte correcta, y la celda de convección ^ ~ que describió como resultado de las interacciones entre el calentamiento desigual del sol y la rotación de la Tierra ahora se llama celda de Hadley ^ ~. Si bien el propio Hadley se centró por completo en explicar los vientos alisios, la celda de Hadley ^ ~ explica varias otras observaciones climáticas en las regiones tropicales entre 30 ° N y 30 ° S, incluidos los vientos en la región ecuatorial y la precipitación en una amplia región del Tierra.

Los marineros conocían la región entre 5 ° N y 5 ° S como "la depresión", un tramo de mar abierto donde sus velas atrapaban poco viento y su avance podía detenerse. Estas condiciones de calma ocurren donde los vientos alisios de los hemisferios norte y sur convergen y se elevan, lo que produce poco viento en la superficie y una zona de baja presión. El aire cálido que se eleva sobre el ecuador también transporta una gran cantidad de vapor de agua, evaporado del océano por la energía del sol. A medida que este aire se eleva y se enfría, el vapor de agua se condensa, creando una banda persistente de nubes y una lluvia intensa que es fácilmente visible en las imágenes satelitales de la Tierra, especialmente sobre el Océano Pacífico (ver un ejemplo en la Figura 8). Hoy en día, los meteorólogos y científicos del clima llaman a esta banda de poco viento, lluvia intensa y baja presión la Zona de Convergencia Intertropical, abreviada como ^ ~ ITCZ.

! - Figure 8 ->

El aire caliente en la ZCIT se eleva hasta que alcanza la tropopausa, o el límite entre la troposfera y la estratosfera (consulte nuestro módulo sobre Composición de Earth's Atmosphere para obtener más información), que se encuentra a una altura de 16-18 km sobre la superficie de la Tierra en el ecuador. A esa altitud, el aire ascendente diverge, con algo que fluye hacia el noreste y algo que fluye hacia el sureste (desviado desde el norte y el sur directamente por el efecto Coriolis), siguiendo la tropopausa mientras se enfría y comienza a hundirse. Aproximadamente a 30 ° N y S del ecuador, el aire ahora frío y seco vuelve a la superficie. Exactamente opuestas a la ITCZ, estas dos bandas de latitud son regiones de alta presión (ya que el aire está descendiendo) y condiciones muy secas, ya que el aire contiene muy poco vapor de agua. Cuando el aire que desciende llega a la superficie, vuelve a divergir, y algunos fluyen hacia el ecuador como los vientos alisios, recogen humedad a medida que se calienta, y otros fluyen hacia latitudes más altas como los vientos del oeste.

! - Figura 9 ->

Si bien las observaciones que nos llevaron a comprender la célula de Hadley ^ ~ vinieron principalmente de los marineros de los océanos Atlántico y Pacífico, los efectos de la circulación atmosférica también se muestran muy claramente en los continentes. El continente de África, que se extiende a ambos lados del ecuador y se extiende desde aproximadamente 37 ° N de latitud hasta 35 ° S, ilustra cómo la celda de Hadley ^ ~ determina el clima continental (ver Figura 9). El color verde más profundo en las imágenes de satélite indica una densa vegetación, la selva tropical del Congo, que recibe las fuertes precipitaciones dentro de la ZCIT. La región de color tostado entre 15 ° y 30 ° N es el desierto del Sahara, donde desciende el aire frío y seco y hay muy poca lluvia o vegetación. En el extremo sur de África, el desierto de Namibia se extiende desde aproximadamente 20 ° a 30 ° S, también en la región del aire seco descendente.

Vientos fuera de los trópicos

La célula de Hadley ^ ~ es el principal impulsor de la circulación en la atmósfera de la Tierra y produce las condiciones climáticas que se experimentan en la mayor parte de la superficie de la Tierra. Pero aunque Hadley mencionó brevemente por qué podrían ocurrir los vientos del oeste, no los explicó completamente y, de hecho, son un poco más difíciles de explicar. Un recuento completo de la circulación atmosférica desde el ecuador hasta los polos no llegaría hasta mediados del siglo XIX, más de 100 años después del trabajo inicial ^ ~ de Hadley.

Un contribuyente importante a este esfuerzo fue Matthew Fontaine Maury, quien recopiló datos sobre la velocidad y la dirección del viento y las corrientes de marineros y organizaciones científicas de todo el mundo, y publicó su compilación en 1855 (Maury, 1855). El esfuerzo de Maury no fue un intento de explicar por qué ocurrieron los vientos y las corrientes. En cambio, dijo:

El objetivo principal ... era recopilar la experiencia de cada navegante en cuanto a los vientos y las corrientes del océano, discutir sus observaciones sobre ellos y luego presentar al mundo los resultados en cartas para la mejora de comercio y navegación.

Sin embargo, la compilación detallada y rigurosa de Maury permitió a otros desarrollar explicaciones, y eso es exactamente lo que hizo William Ferrel. Ferrel era un maestro de escuela en Nashville, Tennessee, que no estaba satisfecho con las explicaciones que otros científicos habían desarrollado para los vientos. Motivado por la compilación de Maury y la construcción de la obra de Hadley, Ferrel publicó un artículo en 1856 que describía la circulación en la atmósfera (Ferrel, 1856). Comenzó resumiendo las ideas de Hadley, "con las que sin duda el lector está familiarizado", y luego se trasladó más allá de los trópicos.

Ferrel notó que los polos eran regiones de alta presión al igual que las bandas cercanas a los 30 °, donde el aire frío y denso se hunde hacia la superficie de la Tierra y fluye lejos de los polos. Este hundimiento en los polos impulsa la circulación en las células ^ ~ polares ^ ~, que operan sobre las regiones ártica y antártica. El efecto Coriolis desvía el aire que fluye hacia el oeste, creando bandas de vientos del este polares ^ ~. Tanto el polo norte como el polo sur son regiones de alta presión con poca precipitación. Es posible que esté acostumbrado a pensar en el polo sur de la Antártida como un lugar nevado, pero la precipitación anual promedio es de 4.5 mm, mucho menos que la mayoría de las partes del desierto del Sahara, que promedian 25 mm / año.

Teniendo en cuenta las células ^ ~ polares y ^ ~ Hadley ^ ~, Ferrel se quedó con las latitudes medias, entre aproximadamente 30 ° y 60 ° N y S. Esta región parecía presentar una contradicción, con aire fluyendo de oeste a este en la superficie, ascendiendo en regiones más frías en latitudes más altas (alrededor de 60 °) y hundiéndose en regiones más cálidas en latitudes más bajas (alrededor de 30 °). Pero visto en el contexto de las células Hadley y ^ ~ polares ^ ~, los vientos en esta región comenzaron a tener sentido. Como había señalado Hadley, el aire que descendía a 30 ° divergía, algo fluyendo hacia el norte en el hemisferio norte y siendo desviado hacia el este por el efecto Coriolis. Alrededor de 60 ° N y S, estos cálidos vientos del oeste que fluyen hacia los polos convergen con aire frío ^ ~ polar, elevándose hacia la tropopausa. Esta celda ^ ~ de circulación de latitud media ahora se llama celda de Ferrel ^ ~ en honor al maestro de escuela que la describió por primera vez.

Sin embargo, la celda ^ ~ de Ferrel no es tan ^ ~ constante o bien definida como la celda ^ ~ de Hadley. En cambio, el flujo de aire del oeste se rompe en una serie de remolinos, remolinos de aire cuyo movimiento no coincide con el flujo general del oeste (consulte la Figura 8 y la animación de la Figura 9). Estos remolinos mezclan la atmósfera de latitudes medias y transportan el calor de los trópicos hacia los polos; también producen las tormentas de latitudes medias que atraviesan los radares meteorológicos, trayendo fuertes vientos y rachas de lluvia y nieve.

La siguiente animación muestra cómo todas estas ^ ~ células interactúan para producir lo que vemos en la superficie: bandas latitudinales de vientos y precipitaciones que son relativamente constantes de un año a otro.

El Niño de 1997-1998 ".>

Otros factores que influyen en el clima

La circulación en la atmósfera no es el único factor que influye en el clima. Los mismos factores que crean la circulación en la atmósfera (el calentamiento desigual del sol y la rotación de la Tierra) crean la circulación en los océanos, y la atmósfera y el océano interactúan e influyen constantemente entre sí. Además, la distribución de las masas de tierra limita la circulación en los océanos y las regiones montañosas como los Andes en América del Sur y el Himalaya modifican la circulación atmosférica.

Over geologic time, the latitudinal bands of climate can shift as well, expanding and contracting as Earth’s temperature changes. During ice ages, for example, the polar cells expand, and the boundary between the polar and Ferrel cells shifts towards the equators. During warm periods, the tropics expand. In both cases, there are still climatic differences between the latitudes of Los Angeles and Juneau because the shape and tilt of Earth have not changed significantly. Instead, the way that Earth absorbs and radiates energy changes, as ice sheets grow or melt and greenhouse gas concentrations increase or decrease. About 27,000 years ago, the climate in Los Angeles was much cooler and wetter than it is today. No sailors were taking measurements at that time, of course – instead, we know that from the fossils of dire wolves, mammoths, beetles, and plants buried in the La Brea tar pits. At the same time, Juneau was covered by ice, which we know from the distribution of sedimentary deposits from glaciers in the area. Combining our modern understanding of how climatic conditions are determined with what we know about the distribution of climates in the past helps us better predict what might happen in the future, as the factors that influence climate change.