Circulación general del Aire

La circulación general del aire representa el flujo promedio de aire alrededor del mundo. Como los vientos pueden variar ampliamente respecto del promedio en cualquier tiempo y lugar, el estudio de los patrones de flujo promedio del viento puede servir para identificar los patrones predominantes de circulación en ciertas latitudes y entender sus causas. La fuerza que impulsa la circulación general es el calentamiento irregular de la superficie terrestre. Las regiones ecuatoriales reciben mucho más energía del sol que las polares. Las variaciones horizontales de la temperatura atmosférica, causadas por el calentamiento irregular, determinan diferencias de presión que dirigen la circulación atmosférica.

Dada la complejidad de la circulación mundial del aire, se empezará por estudiar un modelo simple que explica cómo sería dicho proceso sin las complicaciones causadas por la rotación de la Tierra y la irregularidad de su superficie. Si la Tierra no rotara y estuviera compuesta por una superficie sólida uniforme, se podría observar un modelo de circulación muy predecible del ecuador a los polos . El aire del ecuador, que recibe más radiación solar, sería mayor que el de los polos. Sería más cálido y ligero, y se elevaría debido a la convección. A medida que el aire ecuatorial cálido se eleva, se producen tormentas eléctricas que liberan más calor y hacen que el aire continúe elevándose hasta que llega a la capa superior de la atmósfera. En este punto, el aire empezaría a moverse hacia las regiones polares y se enfriaría a medida que se traslade. En los polos, el aire frío denso descendería a la superficie y volvería a fluir hacia el ecuador. En el hemisferio norte, el flujo del aire cercano a la superficie estaría siempre fuera del norte porque el aire más frío del polo norte remplazaría al aire cálido, ascendente desde el ecuador.

Sin embargo, la Tierra rota, lo que complejiza este flujo relativamente simple de aire. El efecto de Coriolis es un factor principal que explica los patrones reales del flujo del aire alrededor de la Tierra.

A continuación se explicará cómo actúa la fuerza de Coriolis en la circulación planetaria del aire. En el ecuador, el aire cálido se eleva y muchas veces se condensa en grandes nubarrones y tormentas. De este modo, se desarrolla una banda de presión baja alrededor del ecuador. Estas tormentas eléctricas liberan calor, que conduce el aire hacia partes más altas de la atmósfera. Allí, el aire empieza a trasladarse lateralmente hacia los polos y se enfría a medida que se mueve. El aire empieza a convergir o “reunirse” a una altura aproximada de 30° de latitud. La convergencia del aire hace que este se hunda o asiente en esta latitud. Esto determina la divergencia del aire en la superficie terrestre. A medida que el aire se hunde en esta región, el cielo se muestra despejado y los vientos superficiales son suaves y variables.

Viento

El viento es el elemento básico en la circulación general de la atmósfera. Todos los movimientos del viento, desde ráfagas pequeñas hasta grandes masas de aire, contribuyen al transporte del calor y de otras condiciones de la atmósfera alrededor de la Tierra. La denominación de los vientos depende de la dirección de donde provienen. Así, un “viento del norte” es aquel que sopla de norte a sur y un “viento del oeste” es aquel que sopla de oeste a este. Cuando los vientos soplan con mayor frecuencia desde una dirección que desde otra, esta recibe el nombre de viento prevalente.

La velocidad del viento aumenta rápidamente con la altura sobre el nivel del suelo mientras que la carga de fricción disminuye. Por lo general, el viento no es una corriente constante sino conformada por ráfagas con una dirección ligeramente variable, separada por intervalos. Las ráfagas de viento que se producen cerca de la Tierra se deben a las irregularidades de la superficie, lo cual crea remolinos. Los remolinos son variaciones de la corriente principal del flujo del viento. Las irregularidades mayores se producen por convección –o transporte vertical del calor. Estas y otras formas de turbulencia contribuyen al movimiento del calor, de la humedad y del polvo en el aire en altura.

PREDICCION NUMERICA DEL TIEMPO (Numerical Weather Prediction -NWP)
La predicción numérica del tiempo, usa complejos programas de cómputo, conocidos como modelos numéricos de pronóstico, que procesan (“corren”) datos en supercomputadoras y proporcionan predicciones de las variables meteorológicas, tales como la temperatura, presión atmosférica, viento, humedad y precipitación.

Un modelo numérico es un conjunto de ecuaciones matemáticas cuya solución requiere de métodos numéricos. Las ecuaciones básicas de un modelo numérico del tiempo son aquellas que rigen el movimiento del aire (horizontal y vertical), conservación de la masa y la energía, las transformaciones termodinámicas, los procesos de formación y desarrollo de las nubes, etc. Los métodos numéricos más comunes usados para resolver el sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales (modelo numérico del tiempo) son: diferencias finitas, métodos espectrales y elementos finitos.
Asimismo debemos tener en cuenta que tenemos dos clases de modelos, el barotrópico y el modelo baroclínico.

El Modelo Barotrópico
Una atmósfera es barotrópica si no existen vientos térmicos; en este modelo no se tiene en cuenta el tipo de desarrollo de ciclones o anticiclones y tiene otras restricciones como:
Después del tiempo t = 0, el movimiento del aire viene gobernado tan sólo por la inercia que posee en el instante t = 0, lo que equivale decir que no se tiene en cuenta cualquier aportación de nueva energía.
El movimiento se supone que es totalmente horizontal y no divergente, de modo que cada partícula conserva su vorticidad absoluta inicial durante su movimiento; la vorticidad viene medida a través de los vientos geostróficos.

El Modelo Baroclínico
Los modelos posteriores se encaminaron a eliminar las múltiples restricciones que tenía el modelo barotrópico y en particular, han sido utilizados diversos modelos baroclínicos, en los que se tienen en cuenta las condiciones existentes a dos o tres niveles; de esta forma se toman en consideración los desarrollos sinópticos asociados a los vientos térmicos. En la actualidad se han hecho esfuerzos en el sentido de incluir en el modelo influencias tales como la topografía, calentamiento superficial, rozamiento , e intercambios de calor latente.

La importancia de la meteorología de la contaminación del aire

Como la atmósfera es el medio en el que se liberan los contaminantes, el transporte y la dispersión de estas descargas depende en gran medida de parámetros meteorológicos. Para realizar actividades relativas a la planificación de la calidad del aire es imprescindible comprender la meteorología de la contaminación del aire y su influencia en la dispersión de las sustancias contaminantes. Los planificadores emplean este conocimiento para ayudar a localizar las estaciones de monitoreo de contaminación del aire y para desarrollar planes de implementación orientados al cumplimiento de los estándares de calidad del aire en exteriores.

La meteorología se usa para predecir el impacto ambiental de una nueva fuente de contaminación del aire y para determinar el efecto de las modificaciones de las fuentes existentes en la calidad del aire.

Cuando se desarrollan condiciones meteorológicas que no conducen a la dispersión de las sustancias contaminantes, los organismos gubernamentales encargados de controlar la contaminación del aire deben actuar rápidamente para asegurar que los contaminantes no se concentren en niveles inaceptables en el aire que respiramos. Cuando estos niveles son excesivamente altos, se produce un caso de contaminación del aire y se deben reducir las emisiones en la atmósfera.

LA BIOSFERA Y EL ORIGEN DE LA VIDA
Un ecosistema es una unidad organizada que está en continua relación con otros ecosistemas que la rodean y con los cuales tiene contacto.

Estas relaciones se manifiestan por intercambios de materia y energía (importación y exportación de nutrientes y organismos). Son diversos los factores que derivados del clima, del suelo, y de los organismos vivientes, condicionan la distribución de las especies tanto animales, como vegetales a través de todo el planeta o geosfera o ecosfera (se denomina así a todo el planeta en el cual vivimos, incluyendo la atmósfera). Ello se manifiesta por la existencia de zonas geográficas diferenciadas en las que el desarrollo de una vida organizada es poco probable (polos, desiertos, grandes alturas y profundidades marinas), en ellas la continuidad entre los ecosistemas no es posible denominándose a éstos espacios parabiosfera (aquellas áreas marginales del planeta en las cuales no es posible la vida en forma permanente.

El conjunto de ecosistemas que se extienden sobre nuestro planeta dan forma a la biosfera. Se debe considerar como una delgada capa que envuelve parte de la superficie terrestre y que alberga múltiples formas de vida activa o que contiene el conjunto de seres vivos y en la cual es posible la localización de la vida allí en forma permanentemente.

La relativa abundancia de agua, la intensa insolación y la existencia de interfases entre los estados gaseoso, líquido y sólido de la materia han configurado el aspecto y extensión de nuestra actual biosfera.

El Niño y la Oscilación del Sur
El término "El Niño" fue utilizado originalmente por los pescadores peruanos para referirse a una débil corriente oceánica cálida que corre hacia el sur a lo largo de las costas de Perú , llamada La corriente del Niño, apareciendo a fines de año cerca de la época de Navidad (nacimiento del Niño Jesús), llegando posteriormente a asociarse con grandes calentamientos que ocurren cada ciertos años (2 a 7 años), alterando la ecología local y regional (Trenberth, 1996). Estos calentamientos sobre el Pacífico ecuatorial hasta la línea de cambio de fecha (180° de longitud), originan perturbaciones en la atmósfera alterando los patrones climáticos globales en ambos hemisferios, proceso conocido como teleconecciones.

La componente atmosférica que está ligada al ciclo "El Niño", corresponde a la Oscilación del Sur (OS). Los científicos definen la O.S. como una fluctuación de las presiones a nivel de la superficie entre el Pacífico ecuatorial este y la región de Indonesia-Australia.

En la década de 1960, se establece la relación opuesta entre los valores de la presión atmosférica (Indice de Oscilación del Sur) y la temperatura de la superficie del Mar sobre el Pacífico ecuatorial, definiendo a estos procesos de interacción oceáno-atmósfera como el ciclo ENOS (El Niño/Oscilación del Sur). El modo más simple de representar "El Niño" o ENOS es mediante el modelo de circulación (Bjerknes, 1969), llamado Celda de Walker. El contraste térmico longitudinal entre la zona de aguas relativamente frías del Pacífico oriental (22 °C) y las aguas más cálidas del sector de Oceanía (29 °C), definen la circulación llamada Celda de Walker. Este modelo comprende cuatro componentes básicos.
a) Flujo del este correspondiente a los vientos alisios.
b) Convergencia y ascenso de las masas de aire cálido y húmedo que generan abundante nubosidad (cúmulos nimbus) y precipitación en el sector del Pacífico ecuatorial occidental, cercano a los 180° de longitud.
c) Flujo de viento oestes en la troposfera alta.
d) Descenso de las masas de aire (movimiento subsidente) en la parte oceánico frente a las costas de Sudamérica (Chile y Perú), que mantienen un área anticiclónica casi permanente en superficie (Anticiclón Subtropical del Pacífico Sur).

En la circulación de Walker, existen diversos elementos forzantes que sirven de retroalimentación positiva. Entre ellos, uno de los más importantes es el viento superficial de los alisios (viento que sopla desde el este hacia el oeste), que producen la surgencia intertropical, manteniendo un fuerte gradiente térmico con las aguas cálidas del lado de Oceanía. La intensificación de los vientos del este (alisios) y del anticiclón Subtropical del Pacífico sur, generan un aumento de la surgencia ecuatorial y por ende enfriamiento de las aguas oceánicas y costeras superficiales, apareciendo de esta manera, las anomalías negativas de la temperatura superficial del mar. En la parte occidental del Pacífico ecuatorial, por efecto del arrastre del viento superficial se produce un aumento del nivel del mar, contrariamente a lo que ocurre en la región oriental. Estos procesos anómalos definen lo que se conoce como fenómeno o evento de "La Niña", característico de la fase fría del ENOS.

La situación opuesta a lo señalado en el párrafo anterior, es decir, vientos alisios débiles y cambios de dirección al oeste en las cercanías de los 180° de longitud, intensificación de la presión en Oceanía y Australia y debilitamiento sobre el Pacífico central y oriental, contribuyen a disminuir los procesos de surgencia ecuatorial, traduciéndose en la aparición de anomalías positivas de la temperatura superficial del mar en el Pacífico central y costas de Sudamérica, debilitando casi por completo los procesos asociados a la circulación de Walker. Esta condición de interacción entre el océano y la atmósfera sobre el Pacífico ecuatorial es conocida como "El Niño".

PRECIPITACION

La precipitación es la fuente principal del ciclo hidrológico, y puede definirse como el agua en forma líquida o sólida que alcanza la superficie terrestre. Viene siempre precedida de la condensación, sublimación o una combinación de amabas, y generalmente esta asociada con movimientos verticales del aire. Las formas comunes son la lluvia, la nieve, el granizo y sus variaciones.

La precipitación se forma a partir del vapor de agua, siendo, por tanto, la humedad atmosférica una condición necesaria, pero la cantidad y forma de precipitación dependerán de la acción de los otros factores climáticos, tales como el viento, la temperatura y la presión atmosférica. Así las masas de aire continentales son normalmente muy secas, por lo que la precipitación se deriva mayormente del aire marítimo húmedo, originado en los océanos.

Sin embargo la humedad no es una condición suficiente, ya que la condensación o la sublimación puede ocurrir independientemente de que tenga lugar o no la precipitación, pudiéndose acumular en las nubes una considerable cantidad de agua líquida o sólida, sin que precipite. Por ello, es útil considerar un análisis de la precipitación teniendo en cuenta los procesos que conducen a su formación.

Procesos macrofísicos que conducen a la precipitación.

La condensación se puede atribuir a una o varias causas:

1.- Enfriamiento adiabático o dinámico
2.- Mezcla de masas de aire a diferente temperatura y humedad
3.- Enfriamiento radiativo.
4.- Enfriamiento por contacto

Sin embargo, la causa más importante es el enfriamiento dinámico o adiabático, ya que éste es el proceso que produce casi toda la precipitación. La niebla, el rocío y la escarcha asociadas al enfriamiento por radiación y por contacto también contribuyen a la transferencia de humedad desde la atmósfera a la superficie terrestre, raramente producen una cantidad apreciable de precipitación respecto al total. La Condensación del vapor de agua en gotitas nubosas ocurre sobre pequeñas partículas higróscópicas, denominadas núcleos de condensación, normalmente menores a 1mm de diámetro. Las partículas salinas provenientes de los océanos y las procedentes de las combustiones que contienen óxidos nitrosos y sulfurosos constituyen los núcleos más activos. El mecanismo natural de condensación por sí sólo no puede producir ninguna forma significativa de precipitación pues tardaría aproximadamente un día para dar lugar a la formación de pequeñas gotas de lluvia (de aproximadamente 3 mm. ) a partir de un núcleo de condensación.