celda de Hadley

Gráfico de contorno de las velocidades verticales globales — Velocidad vertical promedio (en pascales por segundo) a una altura de presión de 500 hPa en julio, desde 1979 hasta 2001. El ascenso (valores negativos) se concentra cerca del ecuador solar, mientras que el descenso (valores positivos) es más difuso; su distribución es un reflejo de las ramas ascendentes y descendentes de la circulación de Hadley.

La célula de Hadley , también conocida como circulación de Hadley , es una circulación atmosférica tropical a escala global que se caracteriza por el ascenso del aire cerca del ecuador , su flujo hacia los polos cerca de la tropopausa a una altura de 12 a 15 km (7,5 a 9,3 millas) sobre la superficie terrestre, su enfriamiento y descenso en los subtrópicos alrededor de los 30 grados de latitud, para luego regresar hacia el ecuador cerca de la superficie. Se trata de una circulación térmicamente directa dentro de la troposfera que surge debido a las diferencias en la insolación y el calentamiento entre los trópicos y los subtrópicos. En promedio anual, la circulación se caracteriza por una célula de circulación a cada lado del ecuador. La célula de Hadley del hemisferio sur es, en promedio, ligeramente más fuerte que su contraparte del hemisferio norte, extendiéndose ligeramente más allá del ecuador hacia el hemisferio norte. Durante los meses de verano e invierno, la circulación de Hadley está dominada por una única célula trans-ecuatorial, con el aire ascendiendo en el hemisferio de verano y descendiendo en el hemisferio de invierno. Circulaciones análogas pueden ocurrir en atmósferas extraterrestres , como en Venus y Marte .

El clima global está fuertemente influenciado por la estructura y el comportamiento de la circulación de Hadley. Los vientos alisios predominantes son una manifestación de las ramas inferiores de la circulación de Hadley, que convergen aire y humedad en los trópicos para formar la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), donde se localizan las lluvias más intensas de la Tierra. Los cambios en la ZCIT, asociados a la variabilidad estacional de la circulación de Hadley, provocan los monzones . Las ramas descendentes de las células de Hadley dan origen a las dorsales oceánicas subtropicales y suprimen las precipitaciones; muchos de los desiertos y regiones áridas de la Tierra se ubican en los subtrópicos, coincidiendo con la posición de las ramas descendentes. La circulación de Hadley es también un mecanismo clave para el transporte meridional de calor, momento angular y humedad, contribuyendo a la corriente en chorro subtropical , a los trópicos húmedos y al mantenimiento del equilibrio térmico global .

La circulación de Hadley recibe su nombre de George Hadley , quien en 1735 postuló la existencia de células de circulación que abarcan todo el hemisferio, impulsadas por diferencias de calentamiento, para explicar los vientos alisios. Otros científicos desarrollaron posteriormente argumentos similares o criticaron la teoría cualitativa de Hadley, aportando explicaciones y formalismos más rigurosos. La existencia de una amplia circulación meridional del tipo sugerido por Hadley se confirmó a mediados del siglo XX, una vez que se dispuso de observaciones rutinarias de la troposfera superior mediante radiosondas . Las observaciones y los modelos climáticos indican que la circulación de Hadley se ha expandido hacia los polos desde al menos la década de 1980 como resultado del cambio climático , con una intensificación concomitante, aunque menos segura, de la circulación; estos cambios se han asociado con tendencias en los patrones meteorológicos regionales. Las proyecciones de los modelos sugieren que la circulación se ensanchará y debilitará a lo largo del siglo XXI debido al cambio climático.

Mecanismo y características

La circulación de Hadley describe la circulación de aire amplia, térmicamente directa ^{[ a ]} y meridional ^{[ b ]} dentro de la troposfera sobre las bajas latitudes . ^{[ 2 ]} Dentro de la circulación atmosférica global , el flujo meridional de aire promediado a lo largo de las líneas de latitud se organiza en circulaciones de movimientos ascendentes y descendentes acoplados con el movimiento de aire hacia el ecuador o hacia los polos llamados células meridionales. Estas incluyen las prominentes "células de Hadley" centradas sobre los trópicos y las más débiles " células de Ferrel " centradas sobre las latitudes medias . ^{[ 3 ]} Las células de Hadley resultan del contraste de insolación entre las cálidas regiones ecuatoriales y las más frías regiones subtropicales . El calentamiento desigual de la superficie terrestre produce regiones de aire ascendente y descendente. A lo largo de un año, las regiones ecuatoriales absorben más radiación del Sol de la que irradian . En latitudes más altas, la Tierra emite más radiación de la que recibe del Sol. Sin un mecanismo para intercambiar calor meridionalmente, las regiones ecuatoriales se calentarían y las latitudes más altas se enfriarían progresivamente en desequilibrio . El amplio ascenso y descenso del aire genera una fuerza de gradiente de presión que impulsa la circulación de Hadley y otros flujos a gran escala tanto en la atmósfera como en el océano , distribuyendo el calor y manteniendo un equilibrio térmico global a largo plazo y subestacional . ^{[ 4 ]}

La circulación de Hadley cubre casi la mitad de la superficie terrestre, extendiéndose aproximadamente desde el Trópico de Cáncer hasta el Trópico de Capricornio . ^{[ 4 ]} Verticalmente, la circulación ocupa toda la profundidad de la troposfera. ^{[ 5 ]} Las celdas de Hadley que componen la circulación consisten en aire transportado hacia el ecuador por los vientos alisios en la troposfera inferior que asciende al calentarse cerca del ecuador, junto con aire que se mueve hacia los polos en la troposfera superior. ^{[ 6 ]} El aire que se mueve hacia los subtrópicos se enfría y luego desciende antes de regresar hacia el ecuador a los trópicos; ^{[ 7 ]} la posición del aire descendente asociado con la celda de Hadley se usa a menudo como una medida del ancho meridional de los trópicos globales. ^{[ 8 ]} El retorno del aire hacia el ecuador y la fuerte influencia del calentamiento hacen de la celda de Hadley una circulación cerrada e impulsada térmicamente. ^{[ 7 ]} Debido al ascenso por flotabilidad del aire cerca del ecuador y al descenso del aire en latitudes más altas, se desarrolla un gradiente de presión cerca de la superficie con presiones más bajas cerca del ecuador y presiones más altas en los subtrópicos; esto proporciona la fuerza motriz para el flujo hacia el ecuador en la troposfera inferior. Sin embargo, la liberación de calor latente asociado con la condensación en los trópicos también relaja la disminución de la presión con la altura, lo que resulta en presiones más altas en los trópicos en comparación con los subtrópicos para una altura dada en la troposfera superior; este gradiente de presión es más fuerte que su contraparte cerca de la superficie y proporciona la fuerza motriz para el flujo hacia los polos en la troposfera superior. ^{[ 9 ]} Las celdas de Hadley se identifican más comúnmente utilizando la función de corriente de los vientos meridionales promediada zonalmente y ponderada por la masa , pero también se pueden identificar por otros parámetros físicos medibles o derivables, como el potencial de velocidad o la componente vertical del viento en un nivel de presión particular . ^{[ 10 ]}

Dada la latitud $\phi$ y el nivel de presión $p$ La función de corriente de Stokes que caracteriza la circulación de Hadley viene dada por

\psi (\phi ,p)={\frac {2\pi a\cos \phi }{g}}\int _{0}^{p}[v(\phi ,p)]\,dp

dónde $a$ es el radio de la Tierra , $g$ es la aceleración debida a la gravedad de la Tierra y $[v(\phi ,p)]$ es el viento meridional promediado zonalmente en la latitud y el nivel de presión prescritos. El valor de $\psi$ proporciona el flujo de masa meridional integrado entre el nivel de presión especificado y la parte superior de la atmósfera terrestre, donde los valores positivos indican transporte de masa hacia el norte. ^{[ 11 ]} La fuerza de las celdas de Hadley se puede cuantificar en función de $\psi$ incluyendo los valores máximos y mínimos o promedios de la función de corriente, tanto en general como a distintos niveles de presión. La intensidad de la celda de Hadley también puede evaluarse utilizando otras magnitudes físicas como el potencial de velocidad, la componente vertical del viento, el transporte de vapor de agua o la energía total de la circulación. ^{[ 12 ]}

Estructura y componentes

La estructura de la circulación de Hadley y sus componentes se pueden inferir graficando promedios zonales y temporales de los vientos globales a lo largo de la troposfera. En escalas de tiempo más cortas, los sistemas meteorológicos individuales perturban el flujo del viento. Aunque la estructura de la circulación de Hadley varía estacionalmente, cuando los vientos se promedian anualmente (desde una perspectiva euleriana ), la circulación de Hadley es aproximadamente simétrica y está compuesta por dos células de Hadley similares, una en cada uno de los hemisferios norte y sur, que comparten una región común de aire ascendente cerca del ecuador; ^{[ 1 ]} sin embargo, la célula de Hadley del hemisferio sur es más fuerte. ^{[ 13 ]} Los vientos asociados con la circulación de Hadley promediada anualmente son del orden de 5 m/s (18 km/h; 11 mph) . ^[¹^] Sin embargo, cuando se promedian los movimientos de las parcelas de aire en lugar de los vientos en ubicaciones fijas (una perspectiva lagrangiana ), la circulación de Hadley se manifiesta como una circulación más amplia que se extiende más hacia los polos. ^[¹⁴^] Cada celda de Hadley puede describirse mediante cuatro ramas primarias de flujo de aire dentro de los trópicos: ^[¹⁵^]^[¹⁶^]

Una rama inferior que se extiende hacia el ecuador dentro de la capa límite planetaria.
Una rama ascendente cerca del ecuador
Una rama superior que se dirige hacia los polos en la troposfera superior.
Una rama descendente en los subtrópicos

El calentamiento del aire a lo largo del ecuador térmico provoca su ascenso, generando una zona de baja presión que atrae aire del norte y del sur, causando la convergencia de los vientos cerca del ecuador, conocida como Zona de Convergencia Intertropical .

Los vientos alisios en las bajas latitudes de los hemisferios norte y sur de la Tierra convergen el aire hacia el ecuador, debido a un cinturón de baja presión atmosférica que presenta abundantes tormentas y fuertes lluvias conocido como Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). ^{[ 4 ]}^{[ 17 ]} Este movimiento de aire hacia el ecuador cerca de la superficie terrestre constituye la rama inferior de la célula de Hadley. ^{[ 18 ]} La posición de la ZCIT está influenciada por la calidez de las temperaturas de la superficie del mar (TSM) cerca del ecuador y la fuerza de los gradientes de presión trans-ecuatoriales. En general, la ZCIT se encuentra cerca del ecuador o está desplazada hacia el hemisferio de verano donde se encuentran las TSM más cálidas. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]} En un promedio anual, la rama ascendente de la circulación de Hadley está ligeramente desplazada hacia el hemisferio norte, lejos del ecuador. ^{[ 13 ]} Debido a la fuerza de Coriolis , los vientos alisios se desvían en dirección opuesta a la rotación de la Tierra , soplando parcialmente hacia el oeste en lugar de directamente hacia el ecuador en ambos hemisferios. La rama inferior acumula humedad resultante de la evaporación a través de los océanos tropicales de la Tierra. ^{[ 21 ]} Un ambiente más cálido y vientos convergentes fuerzan al aire húmedo a ascender cerca del ecuador, lo que resulta en la rama ascendente de la célula de Hadley. ^{[ 4 ]} El movimiento ascendente se ve aún más potenciado por la liberación de calor latente a medida que el ascenso del aire húmedo resulta en una banda ecuatorial de condensación y precipitación . ^{[ 3 ]}^{[ 21 ]} La rama ascendente de la circulación de Hadley ocurre principalmente en tormentas eléctricas que ocupan solo alrededor del uno por ciento del área de la superficie de los trópicos. ^{[ 22 ]} El transporte de calor en la rama ascendente de la circulación de Hadley se realiza de manera más eficiente mediante torres calientes : nubes cumulonimbos que generan fuertes corrientes ascendentes que no se mezclan con el aire más seco que se encuentra comúnmente en la troposfera media y, por lo tanto, permiten el movimiento del aire desde la troposfera inferior tropical, altamente húmeda, hacia la troposfera superior. Se requieren aproximadamente entre 1500 y 5000 torres calientes diarias cerca de la región de la ZCIT para mantener el transporte vertical de calor que caracteriza a la circulación de Hadley. ^{[ 23 ]}

El aire asciende a la troposfera superior hasta una altura de 12–15 km (7,5–9,3 mi) , después de lo cual diverge hacia afuera de la ZCIT y hacia los polos. ^[²⁴^] La parte superior de la celda de Hadley está determinada por la altura de la tropopausa , ya que la estratosfera estable por encima impide el ascenso continuo del aire. ^[²⁵^] El aire que surge de las bajas latitudes tiene un momento angular absoluto mayor alrededor del eje de rotación de la Tierra. La distancia entre la atmósfera y el eje de la Tierra disminuye hacia los polos; para conservar el momento angular, las parcelas de aire que se mueven hacia los polos deben acelerarse hacia el este. ^[²⁶^] El efecto Coriolis limita la extensión hacia los polos de la circulación de Hadley, acelerando el aire en la dirección de la rotación de la Tierra y formando una corriente en chorro dirigida zonalmente en lugar de continuar el flujo de aire hacia los polos en el límite polar de cada celda de Hadley. ^[²⁷^]^[²⁸^] Considerando solo la conservación del momento angular, una parcela de aire en reposo a lo largo del ecuador aceleraría a una velocidad zonal de 134 m/s (480 km/h; 300 mph) cuando llegara a los 30° de latitud. Sin embargo, la turbulencia a pequeña escala a lo largo del recorrido de la parcela hacia el polo y los remolinos a gran escala en la latitud media disipan el momento angular. ^[²⁹^] El chorro asociado con la celda de Hadley del hemisferio sur es más fuerte que su contraparte del norte debido a la mayor intensidad de la celda del hemisferio sur. ^[³⁰^] Las latitudes más frías y altas conducen al enfriamiento de las parcelas de aire, lo que hace que el aire hacia el polo finalmente descienda. ^[²⁶^] Cuando el movimiento del aire se promedia anualmente, la rama descendente de la celda de Hadley se encuentra aproximadamente sobre el paralelo 25 norte y el paralelo 25 sur . ^[¹^] La humedad en los subtrópicos es luego parcialmente transportada hacia los polos por remolinos y parcialmente transportada hacia el ecuador por la rama inferior de la celda de Hadley, donde posteriormente es llevada hacia la ZCIT. ^[³¹^] Aunque la celda de Hadley promediada zonalmente está organizada en cuatro ramas principales, estas ramas son agregaciones de flujos de aire más concentrados y regiones de transporte de masa. ^[³²^]

Varias teorías y modelos físicos han intentado explicar la anchura latitudinal de la celda de Hadley. ^{[ 33 ]} El modelo de Held-Hou proporciona una restricción teórica sobre la extensión meridional de las celdas de Hadley. Al suponer una atmósfera simplificada compuesta por una capa inferior sujeta a la fricción de la superficie terrestre y una capa superior libre de fricción, el modelo predice que la circulación de Hadley estaría restringida a 2500 km (1600 millas) del ecuador si las parcelas no tienen ningún calentamiento neto dentro de la circulación. ^[²^] Según el modelo de Held-Hou, la latitud del borde polar de la celda de Hadley $\phi$ escalas según

\phi \propto {\sqrt {\frac {g\Delta \theta H_{t}}{\Omega ^{2}a^{2}\theta _ {0}}}}

dónde $\Delta \theta$ es la diferencia de temperatura potencial entre el ecuador y el polo en equilibrio radiativo, $H_{t}$ es la altura de la tropopausa, $\Omega$ es la velocidad de rotación de la Tierra, y $\theta _{0}$ es una temperatura potencial de referencia. ^{[ 33 ]} Otros modelos compatibles postulan que el ancho de la celda de Hadley puede escalar con otros parámetros físicos, como la frecuencia de Brunt-Väisälä promediada verticalmente en la tropopsosfera o la tasa de crecimiento de las ondas baroclínicas emitidas por la celda. ^{[ 34 ]}

Estacionalidad y variabilidad

La circulación de Hadley varía considerablemente con los cambios estacionales. Alrededor del equinoccio durante la primavera y el otoño, tanto en el hemisferio norte como en el sur, la circulación de Hadley toma la forma de dos células de Hadley relativamente más débiles en ambos hemisferios, que comparten una región común de ascenso sobre la ZCIT y mueven el aire en altura hacia el hemisferio respectivo de cada célula. ^{[ 4 ]} Sin embargo, cerca de los solsticios , la circulación de Hadley se transforma en una célula de Hadley trans-ecuatorial más singular y fuerte, con aire ascendiendo en el hemisferio de verano y descendiendo ampliamente en el hemisferio de invierno. ^{[ 4 ]}^{[ 35 ]} La transición entre la configuración de dos células y la de una sola célula es abrupta, y durante la mayor parte del año la circulación de Hadley se caracteriza por una única célula de Hadley dominante que transporta aire a través del ecuador. ^{[ 36 ]} En esta configuración, la rama ascendente se encuentra en las latitudes tropicales del hemisferio de verano más cálido y la rama descendente se sitúa en los subtrópicos del hemisferio de invierno más frío. ^{[ 37 ]} Dos células siguen presentes en cada hemisferio, aunque la célula del hemisferio de invierno se vuelve mucho más prominente mientras que la célula del hemisferio de verano se desplaza hacia el polo. ^{[ 38 ]} La intensificación de la célula del hemisferio de invierno está asociada con un aumento de los gradientes en la altura geopotencial , lo que lleva a una aceleración de los vientos alisios y flujos meridionales más fuertes. ^{[ 39 ]} La presencia de continentes relaja los gradientes de temperatura en el hemisferio de verano, acentuando el contraste entre las células de Hadley hemisféricas. ^{[ 40 ]} Los datos de reanálisis de 1979 a 2001 indicaron que la célula de Hadley dominante en el verano boreal se extendía de 13°S a 31°N en promedio. ^{[ 41 ]}^{[ c ]} Tanto en los inviernos boreales como australes, el Océano Índico y el Océano Pacífico occidental contribuyen en mayor medida a los movimientos ascendentes y descendentes en la circulación de Hadley promediada zonalmente. Sin embargo, los flujos verticales sobre África y América son más marcados en el invierno boreal. ^{[ 42 ]}^{[ 43 ]}

En escalas de tiempo interanuales más largas, las variaciones en la circulación de Hadley están asociadas con variaciones en la Oscilación del Sur de El Niño (ENSO), que impacta el posicionamiento de la rama ascendente; ^{[ 44 ]}^{[ 45 ]} la respuesta de la circulación a ENSO es no lineal, con una respuesta más marcada a los eventos de El Niño que a los eventos de La Niña . ^{[ 45 ]} Durante El Niño, la circulación de Hadley se fortalece debido al aumento de calor de la troposfera superior sobre el Pacífico tropical y la intensificación resultante del flujo hacia el polo. ^{[ 46 ]}^{[ 47 ]} Sin embargo, estos cambios no son asimétricos, durante los mismos eventos, las células de Hadley sobre el Pacífico occidental y el Atlántico se debilitan. ^{[ 48 ]} Durante el Niño del Atlántico , la circulación sobre el Atlántico se intensifica. La circulación del Atlántico también se fortalece durante los períodos en que la oscilación del Atlántico Norte es fuertemente positiva. ^{[ 49 ]} La variación en la circulación de Hadley promediada estacionalmente y anualmente de un año a otro se explica en gran medida por dos modos de oscilación yuxtapuestos : un modo simétrico ecuatorial caracterizado por una sola célula que se extiende a ambos lados del ecuador y un modo simétrico ecuatorial caracterizado por dos células a cada lado del ecuador. ^{[ 50 ]}

Energía y transporte

La célula de Hadley es un mecanismo importante mediante el cual se transportan humedad y energía tanto entre los trópicos y subtrópicos como entre los hemisferios norte y sur. ^{[ 51 ]} Sin embargo, no es un transportador eficiente de energía debido a los flujos opuestos de la rama inferior y superior, con la rama inferior transportando calor sensible y latente hacia el ecuador y la rama superior transportando energía potencial hacia el polo. El transporte neto de energía resultante hacia el polo representa alrededor del 10 por ciento del transporte total de energía involucrado en la célula de Hadley. ^{[ 52 ]} La rama descendente de la célula de Hadley genera cielos despejados y un excedente de evaporación en relación con la precipitación en los subtrópicos. ^{[ 53 ]} La rama inferior de la circulación de Hadley realiza la mayor parte del transporte del exceso de vapor de agua acumulado en la atmósfera subtropical hacia la región ecuatorial. ^{[ 54 ]} La fuerte célula de Hadley del hemisferio sur en relación con su contraparte del hemisferio norte conduce a un pequeño transporte neto de energía del hemisferio norte al hemisferio sur; ^{[ 13 ]} como resultado, el transporte de energía en el ecuador se dirige hacia el sur en promedio, ^{[ 55 ]} con un transporte neto anual de alrededor de 0,1 PW. ^{[ 56 ]} A diferencia de las latitudes más altas donde los remolinos son el mecanismo dominante para transportar energía hacia los polos, los flujos meridionales impuestos por la circulación de Hadley son el mecanismo principal para el transporte de energía hacia los polos en los trópicos. ^{[ 31 ]}^{[ 57 ]} Como una circulación térmicamente directa, la circulación de Hadley convierte la energía potencial disponible en la energía cinética de los vientos horizontales. ^{[ 58 ]} Con base en datos de enero de 1979 y diciembre de 2010, la circulación de Hadley tiene una potencia promedio de salida de 198 TW , con máximos en enero y agosto y mínimos en mayo y octubre. ^[⁵⁹^] Aunque la estabilidad de la tropopausa limita en gran medida el movimiento del aire de la troposfera a la estratosfera, ^[²⁵^] algo de aire troposférico penetra en la estratosfera a través de las células de Hadley. ^[⁶⁰^]

Esquema de las corrientes en chorro polares y subtropicales en la Tierra. — Las ondas baroclínicas que se desarrollan a lo largo del chorro subtropical en los límites polares de las células de Hadley transportan energía hacia los polos.

La circulación de Hadley puede idealizarse como una máquina térmica que convierte la energía térmica en energía mecánica . A medida que el aire se mueve hacia el ecuador cerca de la superficie terrestre, acumula entropía desde la superficie ya sea por calentamiento directo o por el flujo de calor sensible o latente . En la rama ascendente de una celda de Hadley, el ascenso del aire es aproximadamente un proceso adiabático con respecto al entorno circundante. Sin embargo, a medida que las parcelas de aire se mueven hacia el ecuador en la rama superior de la celda, pierden entropía al irradiar calor al espacio en longitudes de onda infrarrojas y descienden en respuesta. ^{[ 1 ]} Este enfriamiento radiativo ocurre a una tasa de al menos 60 W m ⁻² y puede superar los 100 W m ⁻² en invierno. ^[⁵³^] El calor acumulado durante la rama hacia el ecuador de la circulación es mayor que el calor perdido en la rama superior hacia el polo; el exceso de calor se convierte en la energía mecánica que impulsa el movimiento del aire. ^[¹^] Esta diferencia en el calentamiento también resulta en que la circulación de Hadley transporte calor hacia los polos, ya que el aire que alimenta la rama superior de la celda de Hadley tiene mayor energía estática húmeda que el aire que alimenta la rama inferior de la celda. ^[³^] Dentro de la atmósfera terrestre, la escala de tiempo en la que las parcelas de aire pierden calor debido al enfriamiento radiativo y la escala de tiempo en la que el aire se mueve a lo largo de la circulación de Hadley son de órdenes de magnitud similares, lo que permite que la circulación de Hadley transporte calor a pesar del enfriamiento en la rama superior de la circulación. ^[⁶¹^] El aire con alta temperatura potencial finalmente se mueve hacia los polos en la troposfera superior, mientras que el aire con menor temperatura potencial se lleva hacia el ecuador cerca de la superficie. ^[⁶²^] Como resultado, la circulación de Hadley es un mecanismo por el cual el desequilibrio producido por el calentamiento desigual de la Tierra se lleva hacia el equilibrio. ^[²¹^] Cuando se considera como una máquina térmica, la eficiencia termodinámica de la circulación de Hadley promedió alrededor del 2,6 por ciento entre 1979 y 2010, con una pequeña variabilidad estacional. ^[⁶³^]

La circulación de Hadley también transporta momento angular planetario hacia los polos debido a la rotación de la Tierra. ^{[ 21 ]} Debido a que los vientos alisios están dirigidos en dirección opuesta a la rotación de la Tierra, el momento angular hacia el este se transfiere a la atmósfera a través de la interacción friccional entre los vientos y la topografía. La celda de Hadley luego transfiere este momento angular a través de sus ramas ascendentes y hacia los polos. ^{[ 64 ]} La rama hacia los polos se acelera y se desvía hacia el este tanto en el hemisferio norte como en el hemisferio sur debido a la fuerza de Coriolis y la conservación del momento angular , lo que resulta en una corriente en chorro zonal sobre la rama descendente de la celda de Hadley. ^{[ 21 ]} La formación de tal chorro implica la existencia de un equilibrio de viento térmico sostenido por la amplificación de gradientes de temperatura en la proximidad del chorro resultante de la advección de calor hacia los polos de la circulación de Hadley. ^{[ 28 ]} El chorro subtropical en la troposfera superior coincide con donde la celda de Hadley se encuentra con la celda de Ferrel. ^{[ 1 ]} La fuerte cizalladura del viento que acompaña al chorro presenta una fuente significativa de inestabilidad baroclínica a partir de la cual crecen ondas; el crecimiento de estas ondas transfiere calor y momento hacia los polos. ^{[ 65 ]} Los remolinos atmosféricos extraen momento angular del oeste de la celda de Hadley y lo transportan hacia abajo, lo que da como resultado los vientos del oeste de latitudes medias. ^{[ 64 ]}

Formulación y descubrimiento

La estructura y el mecanismo generales de la circulación de Hadley —que comprende células convectivas que mueven el aire debido a diferencias de temperatura de una manera influenciada por la rotación de la Tierra— fueron propuestos por primera vez por Edmund Halley en 1685 y George Hadley en 1735. ^{[ 18 ]} Hadley había buscado explicar el mecanismo físico de los vientos alisios y los vientos del oeste; ^{[ 66 ]} la circulación de Hadley y las células de Hadley reciben su nombre en honor a su trabajo pionero. ^{[ 67 ]}^{[ 68 ]} Aunque las ideas de Hadley invocaban conceptos físicos que no se formalizarían hasta mucho después de su muerte, su modelo era en gran medida cualitativo y carecía de rigor matemático. ^{[ 69 ]} La formulación de Hadley fue reconocida posteriormente por la mayoría de los meteorólogos en la década de 1920 como una simplificación de procesos atmosféricos más complejos. ^{[ 70 ]} La circulación de Hadley pudo haber sido el primer intento de explicar la distribución global de los vientos en la atmósfera terrestre utilizando procesos físicos. Sin embargo, la hipótesis de Hadley no podía verificarse sin observaciones de los vientos en la atmósfera superior. Los datos recopilados mediante radiosondas rutinarias a partir de mediados del siglo XX confirmaron la existencia de la circulación de Hadley. ^{[ 18 ]}

Primeras explicaciones de los vientos alisios

En los siglos XV y XVI, las observaciones de las condiciones meteorológicas marítimas fueron de considerable importancia para el transporte marítimo . Las recopilaciones de estas observaciones mostraron condiciones meteorológicas consistentes año tras año y una variabilidad estacional significativa. ^{[ 71 ]} La prevalencia de condiciones secas y vientos débiles alrededor de los 30° de latitud y los vientos alisios hacia el ecuador más cerca del ecuador, reflejados en los hemisferios norte y sur, era evidente hacia 1600. Los primeros esfuerzos de los científicos por explicar aspectos de los patrones de viento globales a menudo se centraron en los vientos alisios, ya que se asumía que la constancia de los vientos presagiaba un mecanismo físico simple. Galileo Galilei propuso que los vientos alisios resultaban de que la atmósfera se retrasaba con respecto a la velocidad de rotación tangencial más rápida de la Tierra en las bajas latitudes, lo que resultaba en vientos alisios hacia el oeste dirigidos en sentido opuesto a la rotación de la Tierra. ^{[ 72 ]}

En 1685, el polímata inglés Edmund Halley propuso en un debate organizado por la Royal Society que los vientos alisios se originaban por las diferencias de temperatura de este a oeste producidas a lo largo del día en los trópicos. ^{[ 73 ]} En el modelo de Halley, a medida que la Tierra rotaba, la ubicación del máximo calentamiento solar se desplazaba hacia el oeste a través de la superficie terrestre. Esto provocaría que el aire ascendiera y, por conservación de la masa , Halley argumentó que el aire se movería hacia la región de aire evacuado, generando así los vientos alisios. La hipótesis de Halley fue criticada por sus amigos, quienes señalaron que su modelo conduciría a cambios en la dirección del viento a lo largo del día en lugar de vientos alisios constantes. ^{[ 72 ]} Halley admitió en correspondencia personal con John Wallis que «Su cuestionamiento de mi hipótesis para explicar los vientos alisios me hace dudar de su veracidad». ^{[ 74 ]} No obstante, la formulación de Halley se incorporó a la Enciclopedia de Chambers y a La Grande Encyclopédie , convirtiéndose en la explicación más conocida de los vientos alisios hasta principios del siglo XIX. ^{[ 72 ]} Aunque su explicación de los vientos alisios era incorrecta, Halley predijo correctamente que los vientos alisios de superficie deberían ir acompañados de un flujo opuesto en altura, de acuerdo con la conservación de la masa. ^{[ 75 ]}

La explicación de George Hadley

Insatisfecho con las explicaciones previas sobre los vientos alisios, George Hadley propuso un mecanismo alternativo en 1735. ^{[ 76 ]} La hipótesis de Hadley se publicó en el artículo "Sobre la causa de los vientos alisios generales" en Philosophical Transactions of the Royal Society . ^{[ 77 ]} Al igual que Halley, la explicación de Hadley consideraba los vientos alisios como una manifestación del aire que se desplaza para ocupar el lugar del aire cálido ascendente. Sin embargo, la región de aire ascendente que impulsa este flujo se ubicaba a lo largo de las latitudes más bajas. Entendiendo que la velocidad de rotación tangencial de la Tierra era más rápida en el ecuador y disminuía más hacia los polos, Hadley conjeturó que, a medida que el aire con menor momento de latitudes más altas se desplazaba hacia el ecuador para reemplazar el aire ascendente, conservaría su momento y, por lo tanto, se curvaría hacia el oeste. De la misma manera, el aire ascendente con mayor momento se extendería hacia los polos, curvándose hacia el este y luego descendiendo al enfriarse para producir vientos del oeste en las latitudes medias. ^{[ 76 ]} La explicación de Hadley implicaba la existencia de células de circulación que abarcaban ambos hemisferios, tanto en el hemisferio norte como en el sur, extendiéndose desde el ecuador hasta los polos, ^{[ 78 ]} aunque se basaba en una idealización de la atmósfera terrestre que carecía de estacionalidad o de las asimetrías de los océanos y continentes. ^{[ 79 ]} Su modelo también predecía vientos alisios del este rápidos de alrededor de 37 m/s (130 km/h; 83 mph) , ^[⁷⁶^] aunque argumentaba que la acción de la fricción superficial durante unos pocos días ralentizaba el aire hasta las velocidades del viento observadas. ^[⁸⁰^] Colin Maclaurin extendió el modelo de Hadley al océano en 1740, afirmando que las corrientes oceánicas meridionales estaban sujetas a desviaciones similares hacia el oeste o hacia el este. ^[⁷⁶^]

Hadley no fue ampliamente asociado con su teoría debido a la confusión con su hermano mayor, John Hadley , y Halley; su teoría no logró obtener mucha aceptación en la comunidad científica durante más de un siglo debido a su explicación poco intuitiva y la falta de observaciones que la validaran. ^{[ 81 ]} Varios otros filósofos naturales propusieron de forma independiente explicaciones para la distribución global de los vientos poco después de la propuesta de Hadley de 1735. En 1746, Jean le Rond d'Alembert proporcionó una formulación matemática para los vientos globales, pero desestimó el calentamiento solar y atribuyó los vientos a los efectos gravitacionales del Sol y la Luna . Immanuel Kant , también insatisfecho con la explicación de Halley para los vientos alisios, publicó una explicación para los vientos alisios y los vientos del oeste en 1756 con un razonamiento similar al de Hadley. ^{[ 82 ]} En la última parte del siglo XVIII, Pierre-Simon Laplace desarrolló un conjunto de ecuaciones que establecían una influencia directa de la rotación de la Tierra en la dirección del viento. ^{[ 83 ]} El científico suizo Jean-André Deluc publicó en 1787 una explicación de los vientos alisios similar a la hipótesis de Hadley, que relaciona el calentamiento diferencial y la rotación de la Tierra con la dirección de los vientos. ^{[ 84 ]}

El químico inglés John Dalton fue el primero en atribuir claramente la explicación de Hadley sobre los vientos alisios a George Hadley, mencionando el trabajo de Hadley en su libro de 1793, Observaciones y ensayos meteorológicos . ^{[ 85 ]} En 1837, la revista Philosophical Magazine publicó una nueva teoría de las corrientes de viento desarrollada por Heinrich Wilhelm Dove sin referencia a Hadley, pero explicando de manera similar que la dirección de los vientos alisios estaba influenciada por la rotación de la Tierra. En respuesta, Dalton escribió posteriormente una carta al editor de la revista promoviendo el trabajo de Hadley. ^{[ 86 ]} Posteriormente, Dove atribuyó a Hadley con tanta frecuencia que la teoría general se conoció como el "principio Hadley-Dove", ^{[ 87 ]} popularizando la explicación de Hadley sobre los vientos alisios en Alemania y Gran Bretaña . ^{[ 88 ]}

Crítica a la explicación de Hadley

El trabajo de Gustave Coriolis , William Ferrel , Jean Bernard Foucault y Henrik Mohn en el siglo XIX ayudó a establecer la fuerza de Coriolis como el mecanismo para la desviación de los vientos debido a la rotación de la Tierra, enfatizando la conservación del momento angular en la dirección de los flujos en lugar de la conservación del momento lineal como sugirió Hadley; ^{[ 87 ]} La suposición de Hadley llevó a una subestimación de la desviación por un factor de dos. ^{[ 79 ]} La aceptación de la fuerza de Coriolis en la configuración de los vientos globales llevó a un debate entre los científicos atmosféricos alemanes a partir de la década de 1870 sobre la completitud y validez de la explicación de Hadley, que explicaba de manera limitada el comportamiento de los movimientos inicialmente meridionales. ^{[ 87 ]} El uso que hizo Hadley de la fricción superficial para explicar por qué los vientos alisios eran mucho más lentos de lo que predecía su teoría se consideró una debilidad clave en sus ideas. Los movimientos del suroeste observados en las nubes cirros alrededor de los 30°N descartaron aún más la teoría de Hadley, ya que su movimiento era mucho más lento de lo que la teoría predecía al considerar la conservación del momento angular. ^{[ 89 ]} En 1899, William Morris Davis , profesor de geografía física en la Universidad de Harvard , pronunció un discurso en la Real Sociedad Meteorológica criticando la teoría de Hadley por no explicar la transición de un flujo inicialmente desequilibrado al equilibrio geostrófico . ^{[ 90 ]} Davis y otros meteorólogos del siglo XX reconocieron que el movimiento de las parcelas de aire a lo largo de la circulación prevista por Hadley se mantenía mediante una interacción constante entre el gradiente de presión y las fuerzas de Coriolis, en lugar de la conservación del momento angular únicamente. ^{[ 91 ]} En última instancia, si bien la comunidad científica atmosférica consideró válidas las ideas generales del principio de Hadley, su explicación se consideró una simplificación de procesos físicos más complejos. ^{[ 70 ]}^{[ 92 ]}

El modelo de Hadley de la circulación atmosférica global, caracterizada por celdas de circulación hemisféricas, también fue cuestionado por observaciones meteorológicas que mostraban una zona de alta presión en los subtrópicos y un cinturón de baja presión alrededor de los 60° de latitud. Esta distribución de presión implicaría un flujo hacia los polos cerca de la superficie en las latitudes medias, en lugar del flujo hacia el ecuador que sugerían las celdas propuestas por Hadley. Posteriormente, Ferrel y James Thomson conciliaron el patrón de presión con el modelo de Hadley al proponer una celda de circulación limitada a altitudes más bajas en las latitudes medias y ubicada dentro de las celdas de Hadley más amplias, que abarcaban todo el hemisferio. Carl-Gustaf Rossby propuso en 1947 que la circulación de Hadley se limitaba a los trópicos, formando una parte de un flujo meridional multicelular impulsado dinámicamente. ^{[ 93 ]}^{[ 94 ]} El modelo de Rossby se asemejaba a un modelo similar de tres celdas desarrollado por Ferrel en 1860. ^{[ 94 ]}

Observación directa

El modelo de tres células de la circulación atmosférica global —con la circulación concebida por Hadley como su componente tropical— había sido ampliamente aceptado por la comunidad meteorológica a principios del siglo XX. Sin embargo, la existencia de la célula de Hadley solo se validó mediante observaciones meteorológicas cerca de la superficie, y sus predicciones de vientos en la troposfera superior permanecieron sin comprobar. ^{[ 95 ]} El muestreo rutinario de la troposfera superior mediante radiosondas, que surgió a mediados del siglo XX, confirmó la existencia de células de vuelco meridional en la atmósfera. ^{[ 18 ]}

Influencia en el clima

La circulación de Hadley es una de las influencias más importantes en el clima global y la habitabilidad planetaria, ^{[ 4 ]} así como un importante transportador de momento angular, calor y vapor de agua. ^{[ 96 ]}^{[ 97 ]} Las células de Hadley aplanan el gradiente de temperatura entre el ecuador y los polos, haciendo que los extratrópicos sean más suaves. ^{[ 68 ]} El patrón global de precipitación de alta precipitación en los trópicos y una falta de precipitación en latitudes más altas es una consecuencia del posicionamiento de las ramas ascendentes y descendentes de las células de Hadley, respectivamente. ^{[ 3 ]} Cerca del ecuador, el ascenso del aire húmedo resulta en la precipitación más intensa en la Tierra. ^{[ 4 ]} El movimiento periódico de la ZCIT y por lo tanto la variación estacional de las ramas ascendentes de la circulación de Hadley produce los monzones del mundo . ^{[ 98 ]} El movimiento descendente del aire asociado con la rama descendente produce divergencia superficial consistente con la prominencia de áreas subtropicales de alta presión . ^{[ 3 ]} Estas regiones semipermanentes de alta presión se encuentran principalmente sobre el océano entre los 20° y 40° de latitud. ^{[ 68 ]} Las condiciones áridas están asociadas con las ramas descendentes de la circulación de Hadley, ^{[ 33 ]} y muchos de los desiertos y regiones semiáridas o áridas de la Tierra se encuentran debajo de las ramas descendentes de la circulación de Hadley. ^{[ 4 ]}^{[ 10 ]}

La capa límite marina nubosa común en los subtrópicos puede ser generada por núcleos de condensación de nubes exportados fuera de los trópicos por la circulación de Hadley. ^{[ 99 ]}

Efectos del cambio climático

variabilidad natural

Las reconstrucciones paleoclimáticas de los vientos alisios y los patrones de precipitación sugieren que la circulación de Hadley cambió en respuesta a la variabilidad climática natural . Durante los eventos de Heinrich en los últimos 100 000 años, la célula de Hadley del hemisferio norte se fortaleció mientras que la del hemisferio sur se debilitó. La variación en la insolación durante el Holoceno medio y tardío resultó en una migración hacia el sur de las ramas ascendentes y descendentes de la célula de Hadley del hemisferio norte, acercándolas a sus posiciones actuales. Los anillos de los árboles de las latitudes medias del hemisferio norte sugieren que la posición histórica de las ramas de la célula de Hadley también se ha desplazado en respuesta a oscilaciones más cortas, con la rama descendente del hemisferio norte moviéndose hacia el sur durante las fases positivas de la Oscilación del Sur de El Niño y la oscilación decadal del Pacífico , y hacia el norte durante las fases negativas correspondientes. Las células de Hadley se desplazaron hacia el sur entre 1400 y 1850, coincidiendo con sequías en partes del hemisferio norte. ^{[ 100 ]}

Expansión de las células de Hadley y cambios en la intensidad

Tendencias observadas

Según el Sexto Informe de Evaluación del IPCC (AR6), la circulación de Hadley probablemente se ha expandido desde al menos la década de 1980 en respuesta al cambio climático , con una confianza media en una intensificación concomitante de la circulación. ^{[ 101 ]}^{[ 102 ]} Una expansión de la circulación general hacia los polos de aproximadamente 0,1°–0,5° de latitud por década desde la década de 1980 se explica en gran medida por el desplazamiento hacia los polos de la celda de Hadley del hemisferio norte, que en el reanálisis atmosférico ha mostrado una expansión más marcada desde 1992. ^{[ 103 ]} Sin embargo, el AR6 también informó una confianza media en que la expansión de la celda de Hadley del hemisferio norte se encuentra dentro del rango de variabilidad interna. Por el contrario, el AR6 evaluó que era probable que la expansión hacia los polos de la celda de Hadley del hemisferio sur se debiera a la influencia antropogénica; ^{[ 104 ]} este hallazgo se basó en los modelos climáticos CMIP5 y CMIP6 . ^{[ 8 ]}

Los estudios han producido una amplia gama de estimaciones para la tasa de ensanchamiento de los trópicos debido al uso de diferentes métricas; las estimaciones basadas en propiedades de la troposfera superior tienden a producir una gama más amplia de valores. ^{[ 105 ]} El grado en que la circulación se ha expandido varía según la estación, con tendencias en verano y otoño que son mayores y estadísticamente significativas en ambos hemisferios. ^{[ 106 ]} El ensanchamiento de la circulación de Hadley también ha resultado en un probable ensanchamiento de la ZCIT desde la década de 1970. ^{[ 107 ]} Los reanálisis también sugieren que las células de Hadley de verano y otoño en ambos hemisferios se han ensanchado y que la circulación global de Hadley se ha intensificado desde 1979, con una intensificación más pronunciada en el hemisferio norte. ^{[ 103 ]} Entre 1979 y 2010, la potencia generada por la circulación global de Hadley aumentó en un promedio de 0,54 TW por año, lo que concuerda con un mayor aporte de energía a la circulación debido al calentamiento de las TSM sobre los océanos tropicales. ^{[ 108 ]} (Para comparar, la potencia total de la circulación de Hadley varía de 0,5 TW a 218 TW a lo largo del año en el hemisferio norte y de 32 a 204 TW en el hemisferio sur). ^{[ 109 ]} A diferencia de los reanálisis, los modelos climáticos CMIP5 muestran un debilitamiento de la circulación de Hadley desde 1979. ^{[ 110 ]} Por lo tanto, la magnitud de los cambios a largo plazo en la intensidad de la circulación es incierta debido a la influencia de la gran variabilidad interanual y la escasa representación de la distribución de la liberación de calor latente en los reanálisis. ^{[ 103 ]}

La expansión de la circulación de Hadley debido al cambio climático es consistente con el modelo de Held-Hou, que predice que la extensión latitudinal de la circulación es proporcional a la raíz cuadrada de la altura de la tropopausa. El calentamiento de la troposfera eleva la altura de la tropopausa, lo que permite que la rama superior hacia el polo de las células de Hadley se extienda más y conduce a una expansión de las células. ^{[ 111 ]} Los resultados de los modelos climáticos sugieren que el impacto de la variabilidad interna (como la de la oscilación decadal del Pacífico) y la influencia antropogénica en la expansión de la circulación de Hadley desde la década de 1980 han sido comparables. ^{[ 8 ]} La influencia humana es más evidente en la expansión de la célula de Hadley del hemisferio sur; ^{[ 8 ]} el AR6 evaluó una confianza media en asociar la expansión de la circulación de Hadley en ambos hemisferios con el forzamiento radiativo adicional de los gases de efecto invernadero. ^{[ 112 ]}

Mecanismos físicos y cambios previstos

Los procesos físicos por los cuales la circulación de Hadley se expande por la influencia humana no están claros, pero pueden estar vinculados al aumento del calentamiento de los subtrópicos en relación con otras latitudes tanto en el hemisferio norte como en el hemisferio sur. El aumento del calor subtropical podría permitir la expansión de la circulación hacia los polos al desplazar el chorro subtropical y los remolinos baroclínicos hacia los polos. ^{[ 8 ]}^{[ 113 ]} La expansión hacia los polos de la celda de Hadley del hemisferio sur en el verano austral fue atribuida por el Quinto Informe de Evaluación del IPCC (AR5) al agotamiento del ozono estratosférico basado en simulaciones del modelo CMIP5, mientras que las simulaciones CMIP6 no han mostrado una señal tan clara. ^{[ 8 ]} El agotamiento del ozono podría afectar plausiblemente la circulación de Hadley a través del aumento del enfriamiento radiativo en la baja estratosfera; esto aumentaría la velocidad de fase de los remolinos baroclínicos y los desplazaría hacia los polos, lo que llevaría a la expansión de las celdas de Hadley. ^{[ 113 ]} Se han propuesto otros mecanismos impulsados por remolinos para la expansión de las células de Hadley, que involucran cambios en la baroclinicidad , ruptura de olas y otras liberaciones de inestabilidad. ^{[ 114 ]} En las zonas extratropicales del hemisferio norte, el aumento de las concentraciones de carbono negro y ozono troposférico puede ser un factor importante en la expansión de las células de Hadley de ese hemisferio durante el verano boreal. ^{[ 106 ]}

Las proyecciones de los modelos climáticos indican que un aumento continuo en la concentración de gases de efecto invernadero resultaría en un ensanchamiento continuo de la circulación de Hadley. ^{[ 96 ]} Sin embargo, las simulaciones que utilizan datos históricos sugieren que el forzamiento de los gases de efecto invernadero puede explicar alrededor de 0,1° por década de expansión de los trópicos. ^{[ 114 ]} Aunque el ensanchamiento de las celdas de Hadley debido al cambio climático ha ocurrido simultáneamente con un aumento en su intensidad según los reanálisis atmosféricos, ^{[ 101 ]}^{[ 102 ]} las proyecciones de los modelos climáticos generalmente muestran un debilitamiento de la circulación junto con un ensanchamiento de la circulación para finales del siglo XXI. ^{[ 110 ]}^{[ 115 ]} Un aumento a largo plazo en la concentración de dióxido de carbono puede conducir a un debilitamiento de la circulación de Hadley como resultado de la reducción del enfriamiento radiativo en la troposfera cerca de las ramas descendentes de la circulación. ^{[ 116 ]} Sin embargo, los cambios en la circulación oceánica dentro de los trópicos pueden atenuar los cambios en la intensidad y el ancho de las celdas de Hadley al reducir los contrastes térmicos. ^{[ 117 ]}^{[ 118 ]}

Cambios en los patrones climáticos

La expansión de la circulación de Hadley debido al cambio climático está relacionada con cambios en los patrones meteorológicos regionales y globales. ^{[ 119 ]} Un ensanchamiento de los trópicos podría desplazar el cinturón de lluvias tropicales , expandir los desiertos subtropicales y exacerbar los incendios forestales y la sequía. ^{[ 120 ]} El cambio y la expansión documentados de las crestas subtropicales están asociados con cambios en la circulación de Hadley, incluyendo una extensión hacia el oeste del anticiclón subtropical sobre el noroeste del Pacífico, cambios en la intensidad y posición del anticiclón de las Azores , y el desplazamiento hacia el polo e intensificación del cinturón de alta presión subtropical en el hemisferio sur. Estos cambios han influido en las cantidades y la variabilidad de las precipitaciones regionales, incluyendo tendencias de sequía sobre el sur de Australia, el noreste de China y el norte del sur de Asia . El AR6 evaluó evidencia limitada de que la expansión de la celda de Hadley del hemisferio norte puede haber llevado en parte a condiciones más secas en los subtrópicos y una expansión hacia el polo de la aridez durante el verano boreal. ^{[ 121 ]} Los cambios en la precipitación inducidos por cambios en la circulación de Hadley pueden provocar cambios en la humedad del suelo regional , y los modelos muestran las disminuciones más significativas en el mar Mediterráneo , Sudáfrica y el suroeste de Estados Unidos . ^{[ 119 ]} Sin embargo, los efectos concurrentes de los cambios en los patrones de temperatura superficial sobre tierra generan incertidumbres sobre la influencia del ensanchamiento de la celda de Hadley en la sequía sobre áreas terrestres subtropicales. ^{[ 122 ]}

Los modelos climáticos sugieren que el cambio en la posición de los anticiclones subtropicales inducido por la expansión de la célula de Hadley puede reducir el afloramiento oceánico en latitudes bajas y aumentarlo en latitudes altas. ^{[ 123 ]} La expansión de los anticiclones subtropicales junto con la expansión de la circulación también puede implicar una ampliación de las regiones oceánicas de alta salinidad y baja producción primaria marina . ^{[ 120 ]} Una disminución de los ciclones extratropicales en las regiones de trayectoria de tormentas en las proyecciones de los modelos está influenciada en parte por la expansión de la célula de Hadley. ^{[ 124 ]} Los cambios hacia los polos en la circulación de Hadley están asociados con cambios en las trayectorias de los ciclones tropicales en los hemisferios norte y sur, ^{[ 121 ]} incluyendo una tendencia hacia los polos en las ubicaciones donde las tormentas alcanzaron su máxima intensidad. ^{[ 125 ]}

Circulaciones extraterrestres de Hadley

Fuera de la Tierra, cualquier circulación térmicamente directa que circule el aire meridionalmente a través de gradientes de insolación a escala planetaria puede describirse como una circulación de Hadley. ^{[ 21 ]} Una atmósfera terrestre sujeta a un calentamiento ecuatorial excesivo tiende a mantener una circulación de Hadley axisimétrica con movimientos ascendentes cerca del ecuador y descendentes en latitudes más altas. ^{[ 126 ]} Se hipotetiza que el calentamiento diferencial da como resultado circulaciones de Hadley análogas a la de la Tierra en otras atmósferas del Sistema Solar , como en Venus , Marte y Titán . Al igual que con la atmósfera de la Tierra, la circulación de Hadley sería la circulación meridional dominante para estas atmósferas extraterrestres . ^{[ 127 ]} Aunque menos comprendida, las circulaciones de Hadley también pueden estar presentes en los gigantes gaseosos del Sistema Solar y, en principio, deberían materializarse en atmósferas exoplanetarias . ^{[ 128 ]}^{[ 129 ]} La extensión espacial de una celda de Hadley en cualquier atmósfera puede depender de la velocidad de rotación del planeta o luna, de modo que una velocidad de rotación más rápida conduce a celdas de Hadley más contraídas (con una extensión hacia el polo más restrictiva) y una circulación meridional global más celular. ^{[ 130 ]} La velocidad de rotación más lenta reduce el efecto Coriolis, reduciendo así el gradiente de temperatura meridional necesario para mantener un chorro en el límite hacia el polo de la celda de Hadley y, por lo tanto, permitiendo que la celda de Hadley se extienda más hacia el polo. ^{[ 28 ]}

Venus , que rota lentamente, puede tener células de Hadley que se extienden más hacia los polos que las de la Tierra, abarcando desde el ecuador hasta altas latitudes en cada uno de los hemisferios norte y sur. ^{[ 21 ]}^{[ 131 ]} Su amplia circulación de Hadley mantendría eficientemente la distribución de temperatura casi isotérmica entre el polo y el ecuador del planeta y velocidades verticales de alrededor de 0,5 cm/s (0,018 km/h; 0,011 mph) . ^[¹³¹^]^[¹³²^] Las observaciones de trazadores químicos como el monóxido de carbono proporcionan evidencia indirecta de la existencia de la circulación de Hadley venusiana. ^[¹³³^] La presencia de vientos hacia el polo con velocidades de hasta alrededor de 15 m/s (54 km/h; 34 mph) a una altitud de 65 km (40 mi) se entiende típicamente asociada con la rama superior de una celda de Hadley, ^[¹³⁴^] que puede estar ubicada 50–65 km (31–40 mi) sobre la superficie venusiana. ^[¹³³^] Las velocidades verticales lentas asociadas con la circulación de Hadley no se han medido, aunque pueden haber contribuido a las velocidades verticales medidas por las misiones Vega y Venera . ^[¹³⁴^] Las celdas de Hadley pueden extenderse hasta alrededor de 60° de latitud, hacia el ecuador de una corriente en chorro de latitud media que delimita el límite entre la hipotética celda de Hadley y el vórtice polar . ^[¹³³^] La atmósfera del planeta puede exhibir dos circulaciones de Hadley, con una cerca de la superficie y la otra al nivel de la capa superior de nubes . La circulación de Hadley de Venus puede contribuir a la superrotación de la atmósfera del planeta. ^[²¹^]

Las simulaciones de la atmósfera marciana sugieren que también existe una circulación de Hadley en la atmósfera de Marte, que exhibe una estacionalidad más marcada en comparación con la circulación de Hadley de la Tierra. ^{[ 135 ]} Esta mayor estacionalidad resulta de la disminución de la inercia térmica resultante de la ausencia de un océano y la atmósfera más delgada del planeta. ^{[ 21 ]}^{[ 136 ]} Además, la excentricidad orbital de Marte conduce a una celda de Hadley más fuerte y ancha durante su invierno boreal en comparación con su invierno austral. Durante la mayor parte del año marciano, cuando prevalece una sola celda de Hadley, sus ramas ascendentes y descendentes se ubican a 30° y 60° de latitud, respectivamente, en el modelado climático global. ^{[ 137 ]} Las cimas de las celdas de Hadley en Marte pueden alcanzar mayor altura (hasta alrededor de 60 km [37 mi] de altitud) y ser menos definidas en comparación con la Tierra debido a la ausencia de una tropopausa fuerte en Marte. ^[¹³⁵^]^[¹³⁸^] Mientras que el calentamiento latente de los cambios de fase asociados con el agua impulsa gran parte del movimiento ascendente en la circulación de Hadley de la Tierra, el ascenso en la circulación de Hadley de Marte puede ser impulsado por el calentamiento radiativo del polvo elevado e intensificado por la condensación de dióxido de carbono cerca del casquete polar del hemisferio invernal de Marte, lo que aumenta los gradientes de presión. ^[²¹^] A lo largo del año marciano, el flujo de masa de la circulación de Hadley varía entre 10 ⁹ kg s ⁻¹ durante los equinoccios y 10 ¹⁰ en los solsticios. ^[¹³⁹^]

También puede existir una circulación de Hadley en la atmósfera de Titán , la luna de Saturno . Al igual que Venus, la lenta velocidad de rotación de Titán puede sustentar una circulación de Hadley espacialmente amplia. ^[¹³¹^] El modelado de circulación general de la atmósfera de Titán sugiere la presencia de una celda de Hadley trans-ecuatorial. Esta configuración es consistente con los vientos meridionales observados por la nave espacial Huygens cuando aterrizó cerca del ecuador de Titán. ^[¹⁴⁰^] Durante los solsticios de Titán, su circulación de Hadley puede tomar la forma de una sola celda de Hadley que se extiende de polo a polo, con gas caliente ascendiendo en el hemisferio de verano y descendiendo en el hemisferio de invierno. ^[¹⁴¹^] Una configuración de dos celdas con ascenso cerca del ecuador está presente en el modelado durante un período de transición limitado cerca de los equinoccios. ^[¹⁴²^] La distribución de nubes convectivas de metano en Titán y las observaciones de la nave espacial Huygens sugieren que la rama ascendente de su circulación de Hadley ocurre en las latitudes medias de su hemisferio de verano. ^[¹⁴³^] La formación frecuente de nubes ocurre a 40° de latitud en el hemisferio de verano de Titán por ascenso análogo a la ZCIT de la Tierra. ^[¹⁴⁴^]

Véase también

Circulación de vuelco meridional del Atlántico : una amplia circulación oceánica importante para el intercambio de energía en un amplio rango de latitudes.
Circulación de Brewer-Dobson : una circulación entre la troposfera tropical y la estratosfera.
Vórtice polar : una amplia región semipermanente de aire frío que gira ciclónicamente y rodea los polos de la Tierra.

Notas

↑ Una circulación térmica directa presenta, en promedio, aire ascendente sobre las regiones más cálidas y aire descendente sobre las regiones más frías, lo que resulta en la adición de calor a una presión mayor que cuando se extrae. Esto difiere de una circulación térmica indirecta , en la que la energía mecánica de entrada permite que el aire ascienda sobre las regiones más frías y descienda sobre las regiones más cálidas. La refrigeración es análoga a una circulación térmica indirecta.^{[ 1 ]}
↑ Los movimientos meridionales se producen en dirección norte o sur, a lo largo de las líneas de longitud , mientras que los movimientos zonales se producen en dirección oeste o este, a lo largo de las líneas de latitud .
↑ Boreal y austral se refieren al hemisferio norte y al hemisferio sur, respectivamente. Por ejemplo, el verano boreal se refiere al verano en el hemisferio norte, que coincide con el invierno austral (invierno en el hemisferio sur).

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[2] Una circulación térmica directa presenta, en promedio, aire ascendente sobre las regiones más cálidas y aire descendente sobre las regiones más frías, lo que resulta en la adición de calor a una presión mayor que cuando se extrae. Esto difiere de una circulación térmica indirecta , en la que la energía mecánica de entrada permite que el aire ascienda sobre las regiones más frías y descienda sobre las regiones más cálidas. La refrigeración es análoga a una circulación térmica indirecta.^{[ 1 ]}

[3] Los movimientos meridionales se producen en dirección norte o sur, a lo largo de las líneas de longitud , mientras que los movimientos zonales se producen en dirección oeste o este, a lo largo de las líneas de latitud .

[44] Boreal y austral se refieren al hemisferio norte y al hemisferio sur, respectivamente. Por ejemplo, el verano boreal se refiere al verano en el hemisferio norte, que coincide con el invierno austral (invierno en el hemisferio sur).

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[FOOTNOTELee_et_al.2021606-127] Lee et al. 2021 , pág. 606.

[FOOTNOTESeneviratne_et_al.20211586-128] Seneviratne y col. 2021 , pág. 1586.

[FOOTNOTERead2011901-129] Lea 2011 , pág. 901.

[FOOTNOTEGuendelmanKaspi201813213-130] Guendelman y Kaspi 2018 , pág. 13213.

[FOOTNOTEReesGarrett2019-131] Rees y Garrett 2019 .

[FOOTNOTEShowmanChoMenou200934-132] Showman, Cho y Menou 2009 , pág. 34.

[FOOTNOTEGuendelmanKaspi201813219–13220-133] Guendelman y Kaspi 2018 , págs. 13219-13220.

[FOOTNOTERead2011904-134] 1 2 3 Leer 2011 , pág. 904.

[FOOTNOTEStone19751005-135] Stone 1975 , pág. 1005.

[FOOTNOTESvedhemTitovTaylorWitasse2007630-136] 1 2 3 Svedhem et al. 2007 , pág. 630.

[FOOTNOTESánchez-Lavega_et_al.20171551–1552-137] Sánchez -Lavega et al. 2017 , págs. 1551-1552.

[FOOTNOTEReadLewisMulholland201513–15-138] 1 2 Read, Lewis y Mulholland 2015 , págs. 13–15.

[FOOTNOTERead2011903-139] Lea 2011 , pág. 903.

[FOOTNOTELeovy2001246–247-140] Leovy 2001 , págs. 246–247.

[FOOTNOTEMangold_et_al.201615–16-141] Mangold y col. 2016 , págs. 15-16.

[FOOTNOTEHaberle20021748-142] Haberle 2002 , pág. 1748.

[FOOTNOTETokano20072008-143] Tokano 2007 , pág. 2008.

[FOOTNOTEMitchellLora2016374–375-144] Mitchell y Lora 2016 , págs. 374–375.

[FOOTNOTECoustenis2007475-145] Coustenis 2007 , pág. 475.

[FOOTNOTEMitchellPierrehumbertFriersonCaballero2009262–263-146] Mitchell et al. 2009 , págs. 262–263.

[FOOTNOTERannouMontmessinHourdinLebonnois2006205-147] Rannou y col. 2006 , pág. 205.

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