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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.
2.
3.
toma calor en un lugar,
lo cede en otro y
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 una 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
empujado 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.
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