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Células Convectivas Atmosféricas

El Ecuador, El Origen de los vientos

 

Mecanismos de Transporte de Energía

En el Universo se conocen 3 mecanismos para que la energía se transporte, estos son:

  • Transporte por convección
  • Transporte por conducción
  • Transporte por radiación

 

Mecanismos de transporte de energía

transporte de energía

Convección: Cuando un fluido cede calor sus moléculas se desaceleran por lo cual su temperatura disminuye y su densidad aumenta siendo entonces atraídas más intensamente sus moléculas por la gravedad de la tierra. Cuando el fluido absorbe calor sus moléculas se aceleran por lo cual su temperatura aumenta y su densidad disminuye haciéndolo más liviano. El fluido más frío tiende a bajar y ocupa el nivel más bajo de la vertical y los fluidos más calientes son desplazados al nivel más alto, creándose así los vientos de la tierra. La transferencia térmica convectiva consiste en el contacto del fluido con una temperatura inicial con otro elemento o material con una temperatura diferente, en función de la variación de las temperaturas van a variar las cargas energéticas moleculares del fluido y los elementos interactuantes del sistema realizarán un trabajo, donde el que tiene mayor energía o temperatura se la cederá al que tiene menos temperatura. Esta transferencia térmica se realizará hasta que los dos tengan igual temperatura, mientras se realiza el proceso las moléculas con menor densidad tenderán a subir y las de mayor densidad bajarán de nivel. Las moléculas que se encuentran en las capas inferiores aumentan su temperatura.

Transporte por convercción

Transporte por convección

La convección en la atmósfera La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes precipitaciones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 ó 14 km) y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado sólido. Pueden tener forma de un hongo asimétrico de gran tamaño; y a veces se forma en este tipo de nubes una estela que semeja una especie de yunque. El proceso que origina la convección en el seno de la atmósfera es sumamente importante y genera una serie de fenómenos fundamentales en la explicación de los vientos y en la formación de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de convección del calor atmosférico obedecen a las leyes físicas de la Termodinámica. De estos procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la Naturaleza o ciclo hidrológico. Casi todos los fenómenos antes nombrados, tienen que ver con este último mecanismo. También se denomina ciclo hidrológico al recorrido del agua en la atmósfera por la capacidad que tiene el agua de absorber calor y cederlo gracias a la capacidad que tiene de transformarse de un estado físico a otro. A grandes rasgos, el ciclo hidrológico funciona de la siguiente manera:

  • Los rayos solares calientan las superficies de las aguas marinas y terrestres las cuales, al absorber ese calor, pasan del estado líquido al gaseoso en forma de vapor de agua.
  • El vapor asciende hasta cierta altura y al hacerlo, pierde calor, se condensa y forma las nubes, que están constituidas por gotas de agua muy pequeñas que se mantienen en suspensión a determinada altura.
  • Cuando esta condensación se acelera, por el propio ascenso de la masa de nubes (convección), se forman nubes de mayor desarrollo vertical, con lo que las gotas aumentan de tamaño y forman las precipitaciones, que pueden ser tanto sólidas (nieve, granizo) como acuosas (lluvia), dependiendo de la temperatura. Estas precipitaciones pueden caer tanto en el mar como en las tierras emergidas.
  • Por último, parte del agua que se precipita en los continentes e islas pasa de nuevo a la atmósfera por evaporación o produce corrientes fluviales que llevan de nuevo gran parte de las aguas terrestres a los mares y océanos, con lo que se cierra el ciclo, el cual vuelve a repetirse.
Ciclo del Agua
El Ciclo del Agua

 

Conducción: Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su nivel de agitación. La conducción de calor a nivel molecular se debe a la interacción entre las moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera no existen movimientos macroscópicos de materia, que sí ocurren en el segundo fenómeno. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante conducción térmica, mientras que la convección térmica en general sólo resulta posible en líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica, mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la mayor parte del calor por convección.   A nivel macroscópico la transferencia de calor por conducción obedece la segunda ley de la termodinámica que básicamente dice que el calor fluye de un cuerpo caliente a otro frío, o sea, se precisa una diferencia de temperatura. Matemáticamente se expresa mediante la ley de Fourier, que nos dice que la variación de calor en la unidad de tiempo, corresponde al gradiente de la Temperatura en toda la superficie de contacto.

ley de Fourier

ley de Fourier

Radiación: La radiación o espectro electromágnético está compuesto por una alta diversidad de ondas (electromagnéticas) cuya característica principal es su frecuencia (relacionada inversamente a su longitud de onda) que indica el número de vibraciones que realiza en la unidad de tiempo. En la gráfica  de abajo se representa, debajo de cada onda, los objetos que tienen un tamaño similar a la longitud de la onda, para cada frecuencia o tipo de onda, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. La tercera fila representa la frecuencia equivalente a cada longitud de onda (se mide en Hert o seg-1). Por la parte central está la radiación visible con todos los colores. A la izquierda, está el Infrarrojo y más allá, representados todos ellos en color rojo. El Ultravioleta y más alla está representado en violeta. La última fila corresponde a la temperatura asociada a la radiación (o al pico de máxima emisión de la radiación), que viene dado por la  ley de desplazamiento de Wien

ley de desplazamiento de Wien

ley de desplazamiento de Wien

que nos indica, para una Temperatura dada (T en grados Kelvin) cual es la longitud de onda en la que la radiación emite su máximo (o a la inversa, para cada onda que Temperatura tiene asociada). La escala de temperaturas absolutas tiene su origen aquí, en el hecho de que no existen en el Universo cuerpos con temperatura inferior al Cero Absoluto, este es el estado de máximo reposo.

espectro electromagnético
El Espectro Electromagnético

La ley de Planck: La Energía de un cuanto (fotón o partícula) de radiación, expresa la energía asociada a un fotón y es la clave para entender a nivel microscópico como se produce el trasnporte de energía por radiación. Cuando la radiación interactua con la materia, la energía del fotón es transferida a los electrones de la materia, que al ganar esta energía pasan a un nivel energético superior (electrón excitado). En este momento la energía interna del átomo es superior por lo que su Temperatura habrá aumentado (sentimos esta materia más caliente). Tiempo después, el electrón excitado podrá reemitir esa energía, y no lo hará de golpe, sino dando pequeños saltos, descendiendo en orbitales de menor energía lo que subió de una vez, hasta llegar al nivel original. En cada salto la energía es menor, por lo que la onda de cada salto será de menor energía. Este es el comportamiento de la superficie de la Tierra que absorbe la radiación solar visible y la reemite más tarde en Infrarrojo (de menor energía).

Ley de Planck

Ley de Planck

Células Convectivas:

Gran Mancha Roja de Júpiter
Las celdas convectivas en la tierra

Donde se juntan las células de Ferrel y la polar, podemos ver que las dos láminas de viento, una viene del Sur y otra del Norte, chocan frontalmente y las dos láminas de aire suben. En la frontera de Ferrel y de Hadley, ocurre lo contrario, como si fuesen piñones con engranajes, y las dos láminas de aire vienen desde arriba, estrellándose contra el mar. Estamos en la famosa zona de calmas intertropicales en donde apenas hay vientos (horizontales claro) y los veleros huyen para no quedarse parados. Por ejemplo en el famoso anticiclón de las Azores. En esta misma zona de la banda, pero en tierra en vez de en la mar, es donde se encuentran los grandes desiertos de la tierra. Tiene su lógica, ya que el chorro de aire que baja velozmente es comprimido al estrellarse contra la tierra, y por tanto se calienta. Al calentarse, este aire queda más seco evitando las lluvias, y desertizando estas zonas. Como además nuestro planeta gira, entran en juego las fuerzas de Coriolis que se encargan de hacer girar estas especies de rodillos de aire, cortándolos y generando las circulaciones que finalmente conocemos. Coriolis se encarga de que los Alisios no vengan justo desde el Este y que tiendan a ir hacia el ecuador. Por la misma razón los vientos entre las latitudes 30º y 70º correspondientes a la célula de Ferrel no soplan justo hacia el Este siendo ligeramente empujados hacia los polos.    En la parte superior donde se juntan los ‘rodillos’ de aire que giran a modo de engranajes es donde se forman estas zonas conocidas como Jets Streams. En la frontera entre la célula polar y la de Ferrel es donde se forman los frentes. Un frente no es más que el choque de la lámina de aire frío con otra caliente. El frente tendría que ser una zona lineal definida por la latitud. De hecho hay muchos frentes que son así. Pero gracias a Coriolis este frente se puede ‘doblar’ formando lo que estamos acostumbrados a ver en los mapas de meteo.

Gran Mancha Roja de Júpiter
Frente Frío
Jets Streams
Corriente de Chorro

Las corrientes de chorro (o Jets Streams) tienen también su origen en el choque del aire de las celdas convectivas, al ser estos de temperaturas muy distintas. Fueron descubiertos hace solo unos años en 1.944, durante los primeros vuelos de altura realizados por los bombarderos Norte Americanos B29 camino de Japón. Son chorros de aire que recorren la tierra y que alcanzan velocidades enormes de hasta 750 kilómetros por hora! Tienen una anchura de entre 100 y 200 kilómetros y un espesor de 4 o 5 kilómetros. En cada hemisferio hay dos coincidiendo con la separación entre la célula polar con la de Ferrel y entre la célula de Ferrel con la de Hadley.

Conceptos importantes:

  1. El motor de la circulación atmosférica es la radiación solar.
  2. Como la Tierra está más caliente en los trópicos que en los Polos, se produce ascenso de las masas de aire en esa región.
  3. Allí se produce intensa precipitación y el aire seco se mueve en altura hacia latitudes más altas dando origen a la Celda de Hadley.
  4. La fuerza de Coriolis desvía el flujo en altura y esto da lugar a los Oestes y al Jet Subtropical.
  5. Cuando la celda desciende, alrededor de los 30°, el aire está muy seco y la atmósfera estable. Por eso los desiertos se asocian a las zonas de subsidencia.
  6. Cuando el flujo de la celda retorna al sur es desviado por la fuerza de Coriolis y da origen a los Alisios.
  7. Alrededor de los 60° se genera una celda similar llamada Celda Polar, la cual origina los Estes Polares.
  8. Los gradientes meridionales de temperatura en el bordes de la celda polar generan el Jet Polar (del oeste).
  9. Las ondas actúan llevando calor hacia los polos.
  10. Esta circulación meridional se conoce como celda de Ferrel y no es una circulación cerrada, sino un mecanismo que transporta calor hacia altas latitudes a través de las perturbaciones, generando una zona de mezcla.
  11. Es estas regiones los vientos dominantes son del oeste, pero la variabilidad asociada a las perturbaciones es muy grande.
  12. Las celdas generan entonces en la atmósfera terrestre un patrón de circulación zonal, con una alternancia meridional de regiones con altas y bajas presiones.
  13. Los continentes modifican estos patrones debido a su menor inercia térmica respecto de los océanos, de modo que las presiones más altas se observan sobre el océano.
  14. La región donde convergen los Alisios de ambos hemisferios es conocida como Zona de Convergencia Intertropical (ITCZ).
  15. En ella las presiones tienden a bajar y los vientos son débiles. Corresponde al área de las Calmas Ecuatoriales o Doldrums.
  16. La ITCZ se desplaza hacia el hemisferio de verano por causa de que el eje de rotación de la Tierra está inclinado.
  17. Esto origina una modificación estacional de los patrones de viento.

Las atmósferas planetarias Los procesos físicos de la atmósfera terrestre, se dan, en mayor parte, también en otros planetas, de los cuales descatan los gigantes gaseosos. Sabemos que la Mancha Roja de Júpiter es un anticiclón gigantesco, muy estable (al menos lleva 400 años) del tamaño de varias Tierras juntas. Así mismo las bandas atmósfericas son zonas convectivas que transportan energía igual que en la Tierra.

Gran Mancha Roja de Júpiter
Gran Mancha Roja y Bandas Atmósféricas

Hexagono de Saturno

Tormenta en el polo de Saturno con corrientes de Chorro

 

Apéndice:

Vídeo explicativo sobre la fuerza de Coriolis.

 


Bibliografía:

11-12-2013