LA ESTRUCTURA DINAMICA DE LA ATMOSFERA

Circulación atmosférica

El aire se mueve a fin de equilibrar los desbalances de presión causados por el calentamiento diferencial de la superficie terrestre. A medida que se traslada de áreas de alta presión a áreas de baja presión, el viento es influido significativamente por la presencia o ausencia de la fricción. Por consiguiente, los vientos superficiales se comportan de manera diferente que los vientos en altura debido a las fuerzas de fricción que actúan cerca de la superficie terrestre. La rotación de la Tierra modifica la circulación atmosférica pero no la produce, ya que, esencialmente, la atmósfera rota con la Tierra. El movimiento del aire ayuda a evitar que las concentraciones de los contaminantes liberados al aire alcancen niveles peligrosos.

Presión atmosférica

A pesar de ser invisible, el aire tiene peso. Cualquier gas como el aire contiene moléculas que se mueven en todas las direcciones y a grandes velocidades. En realidad, la velocidad depende de la temperatura del gas. La presión atmosférica es causada por moléculas de aire (por ejemplo, oxígeno o nitrógeno) que chocan tanto entre sí como con otros objetos y rebotan. Es función del número de moléculas atmosféricas en un determinado volumen y la velocidad a la que se desplazan. Cuando el aire está confinado dentro de ciertos límites, el calentamiento aumenta su presión y el enfriamiento la disminuye. Cuando se confina en un espacio más pequeño, su presión aumenta pero disminuye cuando se expande en un espacio mayor.

En cualquier ubicación, ya sea en la superficie terrestre o en la atmósfera, la presión atmosférica depende del peso del aire de la capa superior. Imagine una columna de aire. Una columna de aire que se extiende a cientos de kilómetros sobre el nivel del mar ejerce una presión de 1.013 milibaras (mb) (o 1,013 Kpa). Pero si sube en la columna a una altitud de 5,5 km (18.000 pies), la presión atmosférica será aproximadamente la mitad o 506 mb (0,506 Kpa).

La figura 3-1 indica las áreas de presión alta y baja. Los ciclos concéntricos alrededor de las áreas de mayor o menor presión se denominan isobaras, que son líneas de igual presión. Las isobaras pueden seguir la forma de líneas rectas o de anillos a medida que rodean las áreas de presión alta o baja. Las lecturas de presión en el diagrama oscilan entre 1.008 y 1.024 milibaras (mb).

Figura 3-1. Isobaras alrededor de áreas de presión alta y baja

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.

Fuerza de Coriolis

Si la Tierra no rotara, el aire se movería directamente de una presión alta a una presión baja. Sin embargo, como lo hace, para una persona que observa desde la superficie del planeta, se produce una aparente desviación del aire. La fuerza de Coriolis causa una desviación del aire a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur. Se trata de una fuerza aparente causada por la rotación de la Tierra bajo la acción del movimiento del aire. Observado desde el espacio, este movimiento de aire (o cualquier movimiento libre de un objeto, para el caso) parece seguir una línea recta. Pero para una persona que se encuentra en la Tierra, este movimiento aparenta haberse desviado.

La figura 3-2 ilustra la fuerza de Coriolis. Imagine un plato giratorio que rota sobre su eje central como la Tierra (figura 3-2a). Si sostiene una regla y traza una línea recta a través del disco giratorio, vería una línea recta desde su posición. Si este plato fuera la Tierra, su posición sería el espacio. Sin embargo, la línea que trazaría en el plato giratorio sería en realidad curva. Por consiguiente, desde un punto de vista giratorio, la línea es desviada (figura 3-2c).

Figura 3-2. La fuerza de Coriolis

Lo mismo sucede cuando el viento sopla. Esta fuerza aparente en el viento:

• Aumenta a medida que se incrementa la velocidad del viento
• Permanece en ángulos rectos en relación con la dirección del viento (véase la figura 3-3)
• Crece cuando la latitud aumenta (es decir, la fuerza es mayor en los polos y cero en el ecuador)

El efecto de esta fuerza de desviación es que el viento parezca cambiar de dirección en la Tierra. En realidad, esta se mueve en relación con el viento. Como se muestra en la figura 3-3, los vientos parecen desviarse hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur.

Figura 3-3. La desviación de los vientos de gran escala en los hemisferios norte y sur

Fuerza del gradiente de presión

El viento se produce por la tendencia de la naturaleza a corregir las diferencias en la presión atmosférica. Así, el viento soplará de las áreas de presión alta a las de presión baja. La presión que equilibra la fuerza que tiende a mover el aire de la presión alta a la baja se denomina fuerza del gradiente de presión.

El gradiente de presión es la tasa y la dirección del cambio de presión. Está representado por una línea trazada en los ángulos derechos de las isobaras, como se muestra en la figura 3-4. Cuando las isobaras se encuentran cerca, los gradientes son inclinados. El viento se moverá más rápidamente a través de isobaras inclinadas. Los vientos son más suaves cuando las isobaras están más alejadas porque la pendiente entre estas no es tan inclinada; por consiguiente, el viento no ejerce tanta fuerza.

Figura 3-4. Gradientes de presión

La figura 3-4 indica que el viento se desplaza de áreas de presión alta a otras de presión baja pero, debido a la fuerza de Coriolis (efecto de la rotación de la Tierra), el viento no fluye paralelamente con el gradiente de presión. Además, nótese que la dirección del viento superficial (líneas continuas) es diferente de la del viento superior (líneas punteadas), a pesar de tener la misma fuerza de gradiente de presión. Esto se debe a fuerzas de fricción.

Fricción

La fricción, la tercera fuerza principal que afecta al viento, empieza a actuar cerca de la superficie terrestre hasta que llega a altitudes aproximadas de 500 a 1.000 m. Esta sección de la atmósfera se denomina capa límite planetaria o atmosférica. Por encima de esta capa, la fricción deja de influir en el viento. La fuerza de Coriolis y la del gradiente de presión se encuentran balanceadas por encima de la capa límite planetaria. Como se indica en la figura 3-5, las fuerzas balanceadas que se producen por encima de la capa donde la fricción influye en el viento crean un viento que sopla paralelamente con las isobaras. Este viento se denomina viento geostrófico. En el hemisferio norte, las presiones bajas se producirán a la izquierda del viento. En el hemisferio sur, sucederá lo contrario.

Figura 3-5. Balance de fuerzas producidas por el viento geostrófico (hemisferio norte)

Dentro de la capa de fricción, la fuerza de Coriolis, la fuerza del gradiente de presión y la fricción ejercen una influencia sobre el viento. El efecto de la fricción sobre el viento aumenta a medida que este se acerca a la superficie terrestre. Además, mientras más accidentada sea la superficie terrestre, mayor será la influencia friccional. Por ejemplo, sobre una área urbana el flujo de aire experimenta más fricción que sobre una gran masa de agua.

La fricción no sólo disminuye la velocidad del viento sino que también influye en su dirección. El efecto de la fricción sobre la dirección del viento se debe a la relación existente entre la velocidad del viento y la fuerza de Coriolis. Se debe recordar que esta fuerza es proporcional a la velocidad del viento. Por lo tanto, a medida que este experimenta mayor fricción en altitudes progresivamente bajas dentro de la capa de fricción, su velocidad y la fuerza de fricción disminuyen. Con la fricción, la fuerza de Coriolis decrece en relación con la fuerza del gradiente de presión; esta no equilibra la fuerza de Coriolis como lo hace con el viento geostrófico sobre la capa límite planetaria. Al contrario, la fuerza del gradiente de presión predomina y desplaza el viento hacia la presión baja (véase la figura 3-6). La dirección del viento se dirige hacia la presión baja hasta que el vector resultante de la fuerza friccional y la fuerza de Coriolis equilibran de manera exacta la fuerza del gradiente de presión. A medida que las fuerzas friccionales aumentan, las direcciones del viento giran más bruscamente hacia la presión baja. Este cambio en la dirección del viento según las diferentes altitudes dentro de la capa de fricción se ilustra en la figura 3-7 y se denomina espiral de Ekman. El giro de la dirección del viento disminuye con la altura hasta que la fricción deja de influir en el flujo del viento, como en el caso del viento geostrófico.

Figura 3-6. La fuerza de Coriolis actúa con la fricción para equilibrar la fuerza horizontal del gradiente de presión

Figura 3-7. La espiral de Ekman del viento en el hemisferio norte

El efecto de la fricción en el viento influye significativamente en el transporte de los contaminantes del aire. Cuando una pluma de contaminantes del aire emerge de una chimenea, es probable que ascienda a través de la capa límite planetaria (o atmosférica) donde la fricción cambia la dirección del viento con la altura. Esto la dispersará horizontalmente en direcciones distintas. Además, los contaminantes liberados en diferentes alturas de la atmósfera pueden moverse en direcciones diferentes.