Astronomía

El Tiempo Atmosférico y la Atmósfera

Esta es una ampliación adicional de la Sección (S-1)"La luz solar y la Tierra". Una exposición más detallada (pero cualitativa) del flujo de calor en la atmósfera y los procesos climáticos relacionados, incluyendo temas sobre la flotación, la convección y la humedad. Presión y Convección Comencemos con el flujo de aire. Suponga que una "porción de aire" está caliente cerca del suelo (por conducción de calor, el flujo de calor debido al contacto directo). El calor lo expansiona, se hace menos denso que el aire de alrededor y flota y se eleva como un balón de aire caliente (o como una gota de aceite en una botella de agua). En los niveles superiores de la atmósfera, esta burbuja caliente cede de nuevo su calor (a otros flujos o quizás, al frío espacio), se enfría y otras burbujas llegan desde abajo desplazándola y haciéndola descender de nuevo (diagrama del escritorio). Este flujo circulante se llama convección. De forma más general, la convección es un flujo que 1. toma calor en un lugar, 2. lo cede en otro y 3. se mueve debido a este transporte de calor.

Lo más importante a recordar cuando uno se enfrenta con flujos convectivos es que cuanto más alto esté en la atmósfera, menores serán la presión y densidad del aire. Lo que le comprime es el peso del aire sobre él. En la cima del Monte Everest hay menos aire por encima y la presión es menor. Al nivel del mar, el peso de la atmósfera nos comprime a 1 kg/cm2. Esta presión no nos molesta porque el aire que está dentro de nosotros está a la misma presión y los fluidos del cuerpo (como la

sangre), no se comprimen fácilmente. Por la misma razón, los peces no tienen problemas con la profundidad, aún a una profundidad de 100 metros, con una presión 11 veces mayor (10 kg/cm2 por el agua, más el peso de la atmósfera) no sienten molestias. (Los buzos también aguantan esa presión, siempre que el aire que respiran sea igualmente comprimido, pero la mezcla debe cambiarse ya que sino tomarían demasiado oxígeno y también se disolvería mucho nitrógeno en su corriente sanguínea.) A una altura de unos 15 km. solo está sobre nosotros la mitad de la atmósfera, la otra mitad está debajo, por lo que solo se soporta la mitad del peso y la presión se reduce a la mitad. Debido a la "ley de Boyle" (recibe el nombre de Robert Boyle, 1627-91), la densidad también se reduce a la mitad (despreciando la variación de temperatura). Elevándose unos 5 Km. más, la presión desciende a la mitad, hasta 1/4 de la del nivel del mar y a los 15 km. es de 1/8. Todo esto es aproximado y depende de la temperatura, pero la tendencia se ve claramente. La cabina de un avión comercial volando a 10 km. de altura, debe estar sellada y presurizada, porque los pasajeros que respirasen aire a 1/4 de la densidad del nivel del mar, estarían faltos de oxígeno y perderían el sentido. En los raros casos en que un avión pierde su presión, caen automáticamente unas máscaras conectadas con botellas de oxígeno que permiten a los pasajeros respirar con normalidad, mientras el piloto desciende rápidamente a una menor altitud. Tiempo Atmosférico Primero una advertencia: lo que sigue es una explicación muy simplificada de un proceso mucho más complejo. (a) El Tiempo Local. Cuando la atmósfera está estable, cuanto más alto subamos, más frío estará el aire. El aire está más caliente cerca del suelo, el cual absorbe el calor recibido del sol. Está más frío al nivel que vuelan los aviones comerciales, a los 10-15 km., la región de donde se irradia la mayoría del calor hacia el espacio. Es por lo que las cimas de las montañas son frías y las montañas más altas tienen

nieve en sus cimas. (Aunque las capas más altas se hacen bastante calientes de nuevo, porque absorben UV y "extremas UV", pero tienen poco efecto sobre lo que ocurre por debajo de ellas). ¿Como ocurre exactamente? Suponga que una "porción de aire" (aire seco, ya que la humedad es un factor que consideraremos más tarde) es calentada por el suelo y asciende. Más arriba la presión es menor, por lo que el aire se expande: pero la expansión lo enfría. Del mismo modo, si por alguna razón la porción fuese empujada hacia abajo, se volvería a comprimir y a calentar por la compresión. Estos movimientos arriba y abajo ocurren continuamente y el resultado final es que, cuando las condiciones son estables, la temperatura cae a razón constante cuando subimos. El movimiento de la porción ascendente depende de su entorno. Se enfría por la expansión pero, ¿y si aún está más caliente que el aire que le rodea? Si es así, continua ascendiendo y si no desciende. Como veremos, aquí es donde la humedad del aire tiene un efecto importante. [ En un día corriente, el calentamiento directo por el suelo solo mueve el aire unos cuantos cientos de metros, quizás un kilómetro, y crea sobre el suelo una "capa fronteriza" con muchos flujos convectivos. Los movimientos a gran escala como las tormentas ocurre, normalmente, por arriba (vea abajo).]

(b) Tiempo Global. La convección también funciona a escala global. El mayor calentamiento ocurre cerca del ecuador y el aire caliente allí se eleva y fluye hacia los polos, las regiones más frías de la Tierra.

El efecto Coriolis debido a la rotación de la Tierra modifica en gran medida este flujo. (Los pasos los ilustra la imagen inferior)

•

•

•

En el ecuador el movimiento de oeste a este del aire es igual al del ecuador de la Tierra. • A altitudes superiores en el ecuador, sin embargo, la superficie terrestre está más cercana al eje de rotación, la distancia que cubre en 24 horas es menor y la velocidad oeste-este es más lenta. Si el aire que se mueve hacia fuera del ecuador persiste en su velocidad de oeste a este sobrepasará la superficie local y se convertirá en viento predominante del oeste ("poniente"). El aire más frío regresa hacia la superficie ecuatorial a menores altitudes, completando el lazo. Si continúa manteniendo su velocidad original de oeste a este, volverá a igualar su velocidad a la rotación local del ecuador. Realmente el aire pierde velocidad con la fricción con el suelo. Por lo tanto, cuando regresa hacia el ecuador, se retrasa con respecto al suelo en rotación y el viento medio se convierte en levante.

En la época de los veleros, los capitanes se aprovechaban de este sistema. La navegación desde España hacia América la hacían más cerca del ecuador, una ruta más meridional para aprovechar los "vientos de levante". La vuelta a casa la hacían más al norte para aprovechar los "vientos de poniente". Muchos naufragios ocurridos en Florida, algunos conteniendo ricas cargas, se perdieron en los viajes de vuelta a casa, cargados con el oro y la plata de México y Sudamérica. Los aviones que vuelan a través de los EE.UU. no pueden aprovecharlo igual, pero cuando vuelan del oeste hacia el este, sus pilotos a menudo, aprovechan el veloz centro de los ponientes, conocido como "corriente de chorro" y que fluye a gran altitud. Volando hacia el oeste intentan evitar la corriente de chorro. Vapor de agua En vez de calentar la Tierra, la luz solar puede evaporar el agua de ella, especialmente de los océanos, que cubren la mayor parte del globo terráqueo. El aire húmedo se verá incluido de energía adicional, proporcionada por el Sol cuando su calor evapora el agua. Aunque el calor induce la convección, la humedad la puede amplificar. En el aire húmedo caliente es donde ocurren las tormentas violentas y asimismo la superficie cálida del océano es el lugar de nacimiento de las grandes borrascas conocidas como huracanes o ciclones en América y tifones en Asia.

Veamos dos ejemplos de la humedad en acción. 1. En una tormenta, el aire caliente se eleva, como en la convección normal. Cuando alcanza las regiones de menor presión, se enfría debido a la expansión. No obstante, el aire frío no puede contener tanta humedad como el aire caliente y el agua extra se concentra. En la convección moderada forma nubes (como en el ejemplo de abajo), pero en una tormenta activa, hay muchas y se convierten en lluvia. Liberar el agua calienta el aire, o mejor, frena su enfriamiento, debido a que el calor usado por el Sol en evaporar el agua pasa de nuevo al aire. Como resultado, el aire ascendente es aún más caliente que el que le rodea y continua ascendiendo con energía. Libera más lluvia y forma las altas nubes de tormenta, que conocen bien los pilotos para evitarlas.

(En las tormentas con mucha energía, el movimiento del aire elevándose puede hacerse tan rápido que transporte las gotas de lluvia hacia las partes superiores y más frías de la nube, donde se congela, produciendo el granizo. Algunos granizos son recogidos una y otra vez añadiendo más capas de hielo en cada viaje de subida. Así es como se forma el pedrisco.)

En un día cálido y claro, se pueden formar muchas nubes blandas. Un avión ligero vuela a través de la tierra y cada vez que pasa bajo una nube, el piloto nota que se eleva. ¿Que está ocurriendo? --Aquí está la razón. El calentamiento del suelo por el Sol ha creado muchas corrientes pequeñas de convección elevándose. Su aire contiene humedad, no la suficiente para una tormenta seria, pero suficiente para producir pequeñas nubes cuando las gotitas de agua se condensan con el enfriamiento por la ascensión del aire. Las pequeñas nubes forman la parte superior de la "capa fronteriza" cerca del suelo, con muchos flujos circulantes. Cada nube se coloca en la cima de una corriente de elevación convectiva, que alza al avión cuando vuela a su través. Como

"lo que sube debe bajar" el piloto puede prever baches entre las nubes, donde el aire baja de nuevo, como parte de la circulación convectiva. Tales movimientos arriba y abajo pueden hacer que los pasajeros de los aviones ligeros tengan un buen mareo.

http://www.loseskakeados.com