Circulación atmosférica

El patrón de circulación atmosférica descrito por George Hadley fue un intento de explicar los vientos alisios . La celda de Hadley es un ciclo de circulación cerrado que comienza en el ecuador. Allí, el aire húmedo se calienta por la superficie terrestre, disminuye su densidad y asciende. Una masa de aire similar que asciende al otro lado del ecuador obliga a estas masas de aire ascendentes a moverse hacia los polos. El aire ascendente crea una zona de baja presión cerca del ecuador. A medida que el aire se mueve hacia los polos, se enfría, se vuelve más denso y desciende aproximadamente al paralelo 30 , creando una zona de alta presión . El aire descendente viaja entonces hacia el ecuador a lo largo de la superficie, reemplazando el aire que ascendió desde la zona ecuatorial y cerrando el ciclo de la celda de Hadley. ^{[ 3 ]}

El movimiento del aire hacia los polos en la parte superior de la troposfera se desvía hacia el este, debido a la aceleración de Coriolis . Sin embargo, a nivel del suelo, el movimiento del aire hacia el ecuador en la parte inferior de la troposfera se desvía hacia el oeste, generando un viento del este. Los vientos que soplan hacia el oeste (desde el este, viento del este) a nivel del suelo en la celda de Hadley se denominan vientos alisios.

Aunque la célula de Hadley se describe como ubicada en el ecuador, se desplaza hacia el norte en junio y julio y hacia el sur en diciembre y enero, como resultado del calentamiento solar de la superficie. La zona donde se produce el mayor calentamiento se denomina " ecuador térmico ". Dado que el verano en el hemisferio sur abarca de diciembre a marzo, el desplazamiento del ecuador térmico hacia latitudes más altas del sur tiene lugar durante ese período.

El sistema Hadley proporciona un ejemplo de circulación térmica directa. La potencia del sistema Hadley, considerado como una máquina térmica, se estima en 200 teravatios . ^{[ 4 ]}

La célula polar es un sistema simple con fuertes impulsores de convección. Aunque frías y secas en relación con el aire ecuatorial, las masas de aire en el paralelo 60 son lo suficientemente cálidas y húmedas como para experimentar convección e impulsar un bucle térmico . En el paralelo 60, el aire asciende hasta la tropopausa (aproximadamente 8  km a esta latitud) y se mueve hacia el polo. Al hacerlo, la masa de aire de nivel superior se desvía hacia el este. Cuando el aire llega a las áreas polares, se ha enfriado por radiación al espacio y es considerablemente más denso que el aire subyacente. Desciende, creando una zona de alta presión fría y seca. A nivel de la superficie polar, la masa de aire es impulsada desde el polo hacia el paralelo 60, reemplazando el aire que ascendió allí, y la célula de circulación polar se completa. A medida que el aire en la superficie se mueve hacia el ecuador, se desvía hacia el oeste, nuevamente como resultado del efecto Coriolis . Las corrientes de aire en la superficie se denominan vientos polares del este, que fluyen del noreste al suroeste cerca del polo norte y del sureste al noroeste cerca del polo sur.

La salida de masas de aire de la célula polar genera ondas armónicas en la atmósfera, conocidas como ondas de Rossby . Estas ondas ultralargas determinan la trayectoria de la corriente en chorro polar , que se desplaza dentro de la zona de transición entre la tropopausa y la célula de Ferrel . Al actuar como sumidero de calor, la célula polar transporta el abundante calor del ecuador hacia las regiones polares.

La célula polar, el terreno y los vientos catabáticos en la Antártida pueden crear condiciones muy frías en la superficie, por ejemplo la temperatura más baja registrada en la Tierra : −89,2  °C en la estación Vostok en la Antártida, medida en 1983. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

Parte del aire que asciende a 60° de latitud diverge a gran altitud hacia los polos y crea la célula polar. El resto se mueve hacia el ecuador donde choca a 30° de latitud con el aire de gran altitud de la célula de Hadley. Allí se disipa y fortalece las crestas de alta presión subyacentes. Gran parte de la energía que impulsa la célula de Ferrel es proporcionada por las células polar y de Hadley que circulan a ambos lados, las cuales arrastran el aire de la célula de Ferrel consigo. ^{[ 8 ]} La célula de Ferrel, teorizada por William Ferrel (1817-1891), es, por lo tanto, una característica de circulación secundaria, cuya existencia depende de las células de Hadley y polares a ambos lados de ella. Podría considerarse como un remolino creado por las células de Hadley y polares.

El aire de la célula de Ferrel que desciende a 30° de latitud regresa hacia los polos a nivel del suelo y, al hacerlo, se desvía hacia el este. En la atmósfera superior de la célula de Ferrel, el aire que se mueve hacia el ecuador se desvía hacia el oeste. Ambas desviaciones, al igual que en el caso de las células de Hadley y polares, se rigen por la conservación del momento angular. Como resultado, así como los vientos alisios del este se encuentran debajo de la célula de Hadley, los vientos del oeste se encuentran debajo de la célula de Ferrel.

La célula de Ferrel es débil porque carece de una fuente de calor intensa y de un sumidero fuerte, por lo que el flujo de aire y las temperaturas en su interior son variables. Por esta razón, las latitudes medias se conocen a veces como la "zona de mezcla". Las células de Hadley y polares son verdaderos bucles cerrados; la célula de Ferrel no lo es, y el punto clave reside en los vientos del oeste, conocidos formalmente como "vientos del oeste predominantes". Los vientos alisios del este y los vientos polares del este no tienen nada sobre lo que prevalecer, ya que sus células de circulación de origen son lo suficientemente fuertes y encuentran pocos obstáculos, ya sea en forma de grandes accidentes geográficos o zonas de alta presión. Sin embargo, los vientos del oeste más débiles de la célula de Ferrel pueden verse alterados. El paso local de un frente frío puede cambiar esto en cuestión de minutos, y con frecuencia lo hace. Como resultado, en la superficie, los vientos pueden variar bruscamente de dirección. Pero los vientos por encima de la superficie, donde se ven menos afectados por el terreno, son esencialmente del oeste. Una zona de baja presión a 60° de latitud que se desplaza hacia el ecuador, o una zona de alta presión a 30° de latitud que se desplaza hacia los polos, acelerará los vientos del oeste de la célula de Ferrel. Un anticiclón intenso que se desplace hacia los polos puede generar vientos del oeste durante varios días.

El sistema Ferrel actúa como una bomba de calor con un coeficiente de rendimiento de 12,1, consumiendo energía cinética de los sistemas Hadley y polar a una tasa aproximada de 275 teravatios. ^{[ 4 ]}

La celda de Hadley y la celda polar son similares en que son térmicamente directas; en otras palabras, existen como consecuencia directa de las temperaturas superficiales. Sus características térmicas impulsan el clima en su dominio. El enorme volumen de energía que transporta la celda de Hadley, y la profundidad del sumidero de calor contenido dentro de la celda polar, aseguran que los fenómenos meteorológicos transitorios no solo tengan un efecto insignificante en los sistemas en su conjunto, sino que, salvo en circunstancias excepcionales, no se forman. La cadena interminable de altas y bajas presiones que forma parte de la vida cotidiana para los habitantes de latitudes medias, bajo la celda de Ferrel en latitudes entre 30 y 60°, es desconocida por encima del paralelo 60 y por debajo del paralelo 30. Hay algunas excepciones notables a esta regla; sobre Europa, el clima inestable se extiende al menos hasta el paralelo 70 norte .

La célula del Pacífico es tan importante que ha sido bautizada como circulación de Walker en honor a Sir Gilbert Walker , director de observatorios británicos en la India a principios del siglo XX , quien buscaba un método para predecir cuándo cesarían los vientos monzónicos en la India. Si bien nunca lo logró, su trabajo lo llevó al descubrimiento de una relación entre las variaciones periódicas de presión en el Océano Índico y las que existen entre el Pacífico oriental y occidental, a la que denominó " Oscilación del Sur ".

El movimiento del aire en la circulación de Walker afecta a los bucles a ambos lados. En circunstancias normales, el clima se comporta como se espera. Pero cada pocos años, los inviernos se vuelven inusualmente cálidos o fríos, o la frecuencia de los huracanes aumenta o disminuye, y el patrón se establece durante un período indeterminado.

La célula de Walker desempeña un papel fundamental en este fenómeno y en el de El Niño . Si la actividad convectiva disminuye en el Pacífico occidental por alguna razón (actualmente desconocida), los climas de las zonas adyacentes se ven afectados. En primer lugar, los vientos del oeste en niveles superiores de la atmósfera se debilitan. Esto interrumpe el flujo de aire frío que normalmente se acumula alrededor de los 30° de latitud sur, y por lo tanto, cesa el retorno de aire en forma de vientos del este en superficie. Esto tiene dos consecuencias. El agua cálida deja de llegar al Pacífico oriental desde el oeste (donde se acumulaba debido a los vientos del este anteriores), ya que no hay vientos en superficie que la empujen hacia el Pacífico oriental. Esto, junto con los efectos correspondientes de la Oscilación del Sur, provoca temperaturas y patrones de precipitación inusuales a largo plazo en América del Norte y del Sur, Australia y el sureste de África, así como la alteración de las corrientes oceánicas.

Mientras tanto, en el Atlántico, se forman vientos del oeste de gran velocidad en niveles superiores, propios de la célula de Hadley, que normalmente serían bloqueados por la circulación de Walker y no podrían alcanzar tales intensidades. Estos vientos perturban las cimas de los huracanes nacientes y reducen considerablemente el número de los que logran alcanzar su máxima fuerza. ^{[ 13 ]}