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