DINÁMICA DE LAS GEOSFERAS

El aire

Se denomina aire a la mezcla homogénea de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor del planeta Tierra por acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta y transparente en distancias cortas y medias.

Es una combinación de gases en proporciones ligeramente variables, compuesto por nitrógeno (78 %), oxígeno (21 %),y otras sustancias (1 %), como ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y gases nobles (como kriptón y argón).

Según la altitud, la temperatura y la composición del aire, la atmósfera terrestre se divide en cuatro capas: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. A mayor altitud disminuyen la presión y el peso del aire.

Las porciones más importantes para el análisis de la contaminación atmosférica son las dos capas cercanas a la Tierra: la troposfera y la estratosfera. El aire de la troposfera interviene en la respiración. Por volumen está compuesto, aproximadamente, por 78,08 % de nitrógeno (N₂), 20,94 % de oxígeno (O₂), 0,035 % de dióxido de carbono (CO₂) y 0,93 % de gases inertes, como argón y neón.

En esta capa, de 7 km de altura en los polos y 16 km en los trópicos, se encuentran las nubes y casi todo el vapor de agua. En ella se generan todos los fenómenos atmosféricos que originan el clima. Más arriba, aproximadamente a 25 kilómetros de altura, en la estratosfera, se encuentra la capa de ozono, que protege a la Tierra de los rayos ultravioleta (UV).

En relación con esto vale la pena recordar que, en términos generales, un contaminante es una substancia que está «fuera de lugar», y que un buen ejemplo de ello puede ser el caso del ozono (O₃).

Cuando este gas se encuentra en el aire que se respira, ­es decir bajo los 25 kilómetros de altura habituales­, es contaminante y constituye un poderoso antiséptico que ejerce un efecto dañino para la salud, por lo cual en esas circunstancias se le conoce como ozono troposférico u ozono malo.

Sin embargo, el mismo gas, cuando está en la estratosfera, forma la capa que protege de los rayos ultravioleta del Sol a todos los seres vivientes (vida) de la Tierra, por lo cual se le identifica como ozono bueno.

La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor.

 El motivo por el que la temperatura se mantiene constante es porque la Tierra devuelve al espacio la misma cantidad de energía que recibe. Si la energía devuelta fuera algo menor que la recibida se iría calentando paulatinamente y si devolviera más se iría enfriando.

Por tanto la explicación del efecto invernadero no está en que parte de la energía recibida por le Tierra se quede definitivamente en el planeta. La explicación está en que se retrasa su devolución porque, aunque la cantidad de energía retornada es igual a la recibida, el tipo de energía que se retorna es distinto. Mientras que la energía recibida es una mezcla de radiación ultravioleta, visible e infrarroja; la energía que devuelve la Tierra es, fundamentalmente infrarroja y algo de visible. 

Las radiaciones que llegan del sol vienen de un cuerpo que está a 6000ºC, pero las radiaciones que la superficie devuelve tienen la composición de longitudes de onda correspondientes a un cuerpo negro que esté a 15ºC. Por este motivo las radiaciones reflejadas tienen longitudes de onda de menor frecuencia que las recibidas. Están en la zona del infrarrojo y casi todas son absorbidas por el CO2, el vapor de agua, el metano y otros, por lo que se forma el efecto invernadero. Así se retrasa la salida de la energía desde la Tierra al espacio y se origina el llamado efecto invernadero que mantiene la temperatura media en unos 15ºC y no en los -18ºC que tendría si no existiera la atmósfera. 

Energía interna de la Tierra

La temperatura va aumentando en el interior de la Tierra hasta llegar a ser de alrededor de 5000ºC en el núcleo interno. La fuente de energía que mantiene estas temperaturas es, principalmente, la descomposición radiactiva de elementos químicos del manto.

Esta energía interna es responsable de las corrientes de convección que mueven las placas litosféricas, por lo que tiene importantes repercusiones en muchos procesos superficiales: volcanes, terremotos, movimiento de los continentes, formación de montañas, etc. El grado de turbulencia del aire.

Las principales corrientes de viento en la tropósfera de la tierra

Las corrientes de viento más importantes de la Tierra han sido clasificadas en 3 Celdas de aire: la “celda Hadley” que ocurre en el ecuador y hasta la latitud 30° Norte y Sur, la “celda Ferrel” que ocurre a partir de la latitud 30° hacia la 60° tanto norte como sur y la “celda polar” que son corrientes que ocurren desde la latitud 60° Norte y Sur hacia los polos magnéticos de la Tierra.

Las corrientes de aire de la “celda Hadley” se originan durante el día en el ecuador del campo electromagnético de la Tierra donde ocurre la interacción con la radiación proveniente del sol durante el día.

En la superficie este calor provocará la generación de vapor de agua, la concentración de partículas de carbono, nitrógeno y otros elementos volátiles ocasionando la formación de masas de aire volátiles densos en la superficie la acumulación de nubes en la estratósfera.

Al nivel del mar, la densidad del aire es de 1.29 kg/m3, sin embargo, su densidad aumenta a medida que pierde calor y aumenta su coeficiente de expansión.

Estas masas de aire cálido forman una franja de aire más denso y caliente en el ecuador magnético de la Tierra que surgen a medida que la Tierra rota e inicia el día y que tiende a elevarse hasta los 10 ó 15 km de altitud con dirección hacia la alta tropósfera y en la tropopausa.

Debido a la fuerte presencia de moléculas de N2 y NO2 en la atmósfera, la orientación de estas masas de aire caliente transportará energía y calor hacia la tropopausa desplazándose hacia los trópicos Norte y Sur generando los “vientos contraalisios”, que descenderán al colisionar con áreas de alta presión en las alturas a una latitud de 30° en el Norte y el Sur donde se encuentra la mayoría de las zonas más secas y desérticas de la Tierra.

 
Estos vientos mezclados son secos y descienden verticalmente transportando energía, convergiendo en la superficie de los trópicos con densidad, conformando una corriente mezclada densa entre los 30° y 35° de latitud Norte y Sur con dirección hacia el ecuador donde hay menor presión conformando los “vientos alisios” y alargándose hacia el Oeste tanto en los continentes como en los océanos con velocidades aproximadas de 20 kilómetros por hora influyendo en la temperatura y humedad de la superficie terrestre en una franja de poco más de 500 km.

La intensidad de estos “vientos alisios” es mayor en el verano e irregular en el invierno, incluso llegando a la calma y pueden dividirse en “oceánicos” si ocurren en el océano, “continentales” y “monzónicos”, que varían su intensidad dependiendo de la estación del año.

Al ocurrir en el océano siendo secos, se cargarán de humedad causando lluvias y tormentas (cumunolimbos formados por corrientes de aire ascendentes) pero además “huracanes”, “ciclones” (vientos arremolinados húmedos, cálidos y ascendentes en áreas de baja presión que generalmente se desarrollan en océanos tropicales) y “anticiclones” (vientos secos, fríos y descendentes en áreas de alta presión).

En la “tropopausa” a esta latitud de 30° Norte y Sur se conformará una “corriente de chorro” delgada con dirección opuesta de Oeste a Este.

Este viento que desciende y transporta energía provocará corrientes convectivas formando ciclones y anticiclones en latitudes sub-tropicales hacia las más altas con vientos cálidos, pues los vientos horizontales calientes buscan desplazarse hacia los polos, mientras que los vientos fríos se desplazan hacia el ecuador.

Los anticiclones sub-tropicales que son reforzados en los continentes cuando están relativamente fríos en invierno, y son debilitados en el verano cuando las masas de tierra son más cálidas.

Los vientos alisios (relativamente fríos) del sur y del norte convergen en las latitudes 10° Norte y Sur permitiendo el desarrollo de la “zona de convergencia intertropical” (ZCIT) que es un cinturón de baja presión con vientos suaves o “calmados”, en estas zonas el viento asciende o desciende de forma vertical), El viento se difundirá hacia el ecuador (formando los “vientos alisios”) por una parte y por otra parte hacia las latitudes templadas, (formando los “vientos del Oeste”).

Si el comportamiento de estos vientos cambia, ocasiona cambios en los trópicos y ecosistemas que reciben estas corrientes.

Debido a que en esta zona ocurre una fuerte turbulencia entre vientos secos y húmedos provenientes del mar, por lo que se generan tornados (remolinos permanentes de aire con grandes embudos y fuerzas poderosas)

Masas de aire:

Las masas de aire tienen gran importancia Climatología. ¿Qué son las masas de aire? Son áreas de gran extensión y potencia de la atmósfera, movibles, con propiedades termodinámica que tienen como características la temperatura y la humedad. Recibe las propiedades termodinámicas de la superficie terrestre.

La temperatura y la humedad en las masas de aire son homogéneas, manteniéndose en sentido horizontal en los distintos niveles, y la uniformidad de las masas de aire se debe a la permanencia del aire y a su desplazamiento a lo largo de grandes extensiones.

La propagación del calor desempeña un papel básico tanto en la temperatura como en la humedad, en las diferentes mezclas del aire, en el sentido vertical u horizontal. Por otra parte, el calentamiento del aire es diferente, según se produzca sobre la superficie continental o sobre la superficie oceánica, determinando la región de origen del desplazamiento de las masas de aire.

Sobre la superficie continental la radiación solar penetra poco y el calor irradiado calienta las capas cercanas a la superficie. El aire caliente se torna inestable, provocando un movimiento ascendente con arrastre de humedad y calor hacia las capas más altas.

Sobre la superficie oceánica la radiación solar no actúa sobre una delgada capa superficial, sino sobre una enorme masa líquida de espesor mucho mayor, en continua renovación, que aumentará el calor recibido, por lo que la temperatura de la superficie es mucho más baja que la terrestre.

Cuando las masas de aire se ponen en movimiento se manifiestan como corrientes muy extensas de origen polar o tropical, actuando entre ellas y estableciendo el intercambio en la circulación de la atmósfera.

Una masa de aire depende de dos características básicas: La distribución vertical de la temperatura y el contenido de la humedad.

Al moverse una masa de aire frío (procede de los casquetes polares o de los anticiclones invernales) sobre una masa de aire caliente, dicha masa determina un fuerte gradiente de temperatura en sus capas inferiores, haciéndose inestable el sistema con formación de ráfagas de viento con tendencia a temporales y precipitaciones a chubascadas de corta duración.

Si la masa de aire caliente (procede de los anticiclones oceánicos subtropicales o de los continentales de verano) se mueve sobre una masa de aire frío se formará un estrato de inversión térmica de poca altura, identificada en ocasiones por condensación, nubosidad, nieblas y se manifiestan precipitaciones seguidas y moderadas. El calor de una masa de aire polar es desprendido por radiación hacia la Tierra.

En meteorología, un frente es una franja de separación entre dos masas de aire de diferentes temperaturas. Se los clasifica como fríos, cálidos, estacionarios y ocluidos según sus características. La palabra «frente» está prestado del lenguaje militar, dado que se asemejan a una batalla porque el choque entre las dos masas produce una actividad muy dinámica como tormentas eléctricas, ráfagas de viento y aguaceros.

Los frentes meteorológicos son frecuentemente asociados con sistemas de presión atmosféricos. Son generalmente guiados por corrientes de aire y viajan de oeste a este. Los frentes pueden verse afectados por formaciones geográficas como montañas y grandes volúmenes de agua.

El frente frío es una franja de inestabilidad que ocurre cuando una masa de aire frío se acerca a una masa de aire caliente. El aire frío, siendo más denso, genera una "cuña" y se mete por debajo del aire cálido y menos denso.

Los frentes fríos se mueven rápidamente. Son fuertes y pueden causar perturbaciones atmosféricas tales como tormentas de truenos, chubascos, tornados, vientos fuertes y cortas tempestades de nieve antes del paso del frente frío, acompañadas de condiciones secas a medida que el frente avanza. Dependiendo de la época del año y de su localización geográfica, los frentes fríos pueden venir en una sucesión de 5 a 7 días.

Corte transversal de un frente frío.

En mapas de tiempo, los frentes fríos están marcados con el símbolo de una línea azul de triángulos que señalan la dirección de su movimiento. La velocidad de desplazamiento del frente es tal que el efecto de descenso brusco de temperatura se observa en pocas horas e incluso de pocos minutos en el caso de un simple cumulonimbo.

Se llama frente cálido a la parte frontal de una masa de aire tibio que avanza para reemplazar a una masa de aire frío, como frentazo de Gino. Generalmente, con el paso del frente cálido la temperatura y la humedad aumentan, la presión baja y aunque el viento cambia no es tan pronunciado como cuando pasa un frente frío. La precipitación en forma de lluvia, nieve o llovizna se encuentra generalmente al inicio de un frente superficial, así como las lluvias convectivas y las tormentas. La neblina es común en el aire frío que antecede a este tipo de frente. A pesar que casi siempre aclara una vez pasado el frente, algunas veces puede originarse neblina en el aire cálido.

  

Frente ocluido

Oclusión de una tormenta formada por el paso de un cumulonimbo, donde pueden verse los rayos solares a través del antiguo "ojo" de la misma con los anillos ascendentes con giro antihorario formados por aire cálido y húmedo. El inicio de la oclusión en superficie marca el fin de la actividad convectiva de la tormenta.

Un frente ocluido se forma donde un frente caliente móvil más lento es seguido por un frente frío con desplazamiento más rápido. El frente frío con forma de cuña, alcanza al frente caliente y lo empuja hacia arriba. Los dos frentes continúan moviéndose uno detrás del otro y la línea entre ellos es la que forma el frente ocluido.

Así como con los frentes inmóviles, se puede dar una gran variedad de condiciones atmosféricas a lo largo de este tipo de frente, pero por lo general, son asociados con los estratos de nubes y la precipitación ligera. Los frentes ocluidos se forman, generalmente, alrededor de áreas de baja presión y cuando estas están debilitándose.

Los frentes ocluidos están marcados en los mapas meteorológicos con una línea punteada violeta entre las marcas del frente frío y el frente caliente que señalan la dirección de su desplazamiento.

Un frente estacionario es un límite entre dos masas de aire, de las cuales ninguna es lo suficientemente fuerte para sustituir a la otra. Se puede encontrar una gran variedad de condiciones atmosféricas a lo largo de este tipo de frente, pero, generalmente, las nubes y la precipitación prolongada son las más frecuentes.

Después de varios días, los frentes estacionarios se disipan o se convierten en un frente frío o cálido. Estos frentes son más numerosos en los meses de verano. La precipitación prolongada asociada a ellos, es, a menudo, responsable de inundaciones durante los meses de verano.

En los mapas meteorológicos están marcados con una línea de círculos rojos y triángulos azules que se alternan, puestos en direcciones opuestas, representando la naturaleza dual del frente.

Brisas de mar y de tierra

La capacidad de calentarse que tiene el mar y la tierra es la causa de la generación de las brisas de mar y de tierra. Estos movimientos circulatorios del aire serán más acusados cuanto más fuerte sea la energía solar es decir serán más acusados en las estaciones de calor y en días despejados sin nubes.

Durante el día el sol calienta más fácilmente la tierra, ya que el agua tiene más inercia térmica. Durante el día la tierra está más caliente y el aire aumenta de presión lo que origina un desplazamiento de las masas altas de este hacia el mar. El vacío que se forma en la zona costera para recuperar el aire que se ha escapado por las zonas altas, produce un viento hacia la costa desde la mar. De esta manera se origina durante el día la brisa marina.

Por el contrario, durante la noche el efecto contrario establece la brisa de tierra. En este caso el mar está más caliente que la tierra y en las capas altas el aire se dirige a tierra creando un vacío en las capas bajas de la atmósfera marina que atrae el aire desde tierra hacia la mar. Por la noche se produce brisa desde tierra hacia el mar.

Las olas se forman debido a la acción de arrastre del viento sobre la superficie del agua, por ello los vientos que provienen durante el día desde el mar generan olas de mayor intensidad cuanto más fuerte sea el viento. En la noche, al soplar el viento desde tierra, la zona de aguas costeras no han tenido la oportunidad de formar olas, haciendo que el mar en la costa sea más calmado que durante el día.

La brisa del mar puede penetrar durante el día hasta 50 kilómetros tierra adentro con gran carga de humedad lo que puede originar pequeños chubascos si se producen descensos de temperatura significativos.

Los ciclones

Más conocidos en América con el nombre de huracanes, y de tifón en el Lejano Oriente, los ciclones son perturbaciones en forma de remolino. Se caracterizan por fuertes depresiones atmosféricas, lluvias torrenciales y fuertes vientos, que alcanzan hasta 300 km/h. Cuando poseen intensidades menores a 118 km/h, se los denomina tormentas o depresiones tropicales.

Pueden durar hasta seis días. Los fuertes vientos, la formación de un intenso y elevado oleaje y las inundaciones provocadas por las precipitaciones ocasionadas por el huracán, son los principales destructores del medioambiente. 

Las zonas costeras son las más afectadas, porque la combinación de la lluvia y los vientos arrastran a su paso la cobertura vegetal. En una hora, el oleaje producido por los ciclones puede erosionar 9 a 15 m de playa.

Las infraestructuras, como viviendas, hospitales, caminos, redes cloacales, etc., pueden ser arrancadas o resquebrajarse, facilitando su derrumbe. Los efectos a largo plazo incluyen la formación de pantanos y estanques que obstaculizan las tareas de reconstrucción y se convierten en criaderos de insectos vectores de enfermedades.

Se calcula que cada año, alrededor de 50 ciclones dejan víctimas y estragos en todo el mundo. Sin embargo, desde el punto de vista climático, los ciclones desempeñan la función de válvula de seguridad en las transferencias térmicas y contribuyen al afloramiento de aguas ricas en nutrientes.

¿Cómo se pueden predecir los ciclones?

La Organización Meteorológica Mundial (OMM) cuenta con varios centros regionales de prevención y alerta de ciclones. Estos descubren las zonas donde nacen los ciclones y anticipan su trayectoria para emitir las alertas en el momento oportuno. A nivel del suelo, los ciclones se observan por medio de radares, y a mayor altitud, se utilizan aviones y satélites.  

Referencia

1.Cuenca del Atlántico.

2. Noroeste de la cuenca del Pacífico.

3. Noroeste de la cuenca del Pacífico.

4. Norte del océano Índico, incluyendo la bahía de Bengala y el mar de Arabia.

5. Suroeste del océano Índico.

6.Suroeste de la cuenca indoaustraliana.

7. Cuenca australiana/suroeste del Pacífico.

Los tornados y las trombas

Los tornados se producen cuando el aire caliente y húmedo del suelo se cubre bruscamente con aire frío y seco. El contraste térmico aspira el aire caliente hacia una gran altitud y lo pone a girar. Por lo general, ocurren en las zonas agrícolas del planeta. Las trombas son la forma marítima de los tornados.

La diferencia rápida de presión y la violencia de los vientos, que alcanzan hasta 600 km/h, generan efectos perjudiciales en la superficie terrestre, como levantar vehículos y destruir edificios.

Debido a su aparición rápida y su existencia localista, los tornados son difíciles de prever y hacen inútil cualquier actividad preventiva. Los especialistas pueden detectar las tormentas y las condiciones meteorológicas generadoras de un tornado y emitir la alerta algunos minutos antes, que sirve muy poco o nada. 

Estados Unidos es el país más afectado por los tornados, que se forman cuando el aire caliente y húmedo de México se desliza debajo del aire frío y seco de Canadá.

Un tornado es un desastre natural resultado de una tormenta. Los tornados son corrientes violentas de viento que pueden soplar hasta 500 km/h. Pueden aparecer en solitario o en brotes a lo largo de la línea del frente tormentoso. El tornado más veloz registrado atravesó Moore, Oklahoma el 3 de mayo de 1999.

 El tornado alcanzó rachas de más de 500 km/h y fue el más duro jamás registrado. Las zonas más afectadas por estos fenómenos extremos son Argentina, Estados Unidos, una parte de Australia y el centro de Europa.

Un rayo es una poderosa descarga electrostática natural producida durante una tormenta eléctrica. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire. La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y expande rápidamente al aire, produciendo el ruido característico del trueno del relámpago.

Generalmente, los rayos son producidos por un tipo de nubes de desarrollo vertical llamadas cumulonimbos. Cuando un cumulonimbo alcanza la tropopausa, la nube adquiere una forma de yunque y en ese momento puede clasificarse como de tormenta, llamándose también al fenómeno células de tormenta; y cuando comienzan a girar sobre sí mismas y adquieren suficiente energía se las llama supercélulas de tormenta, causantes de tornados, granizadas fatales y rayos muy potentes.

  

Actividad 5

¿Qué es el aire?

¿Cómo se forma el aire?

¿Qué es el efecto de la convección?

Nombra 3 ejemplos de formas de energía

Explica la ley de conservación de energía

Describe el balance energético del planeta.

Explica por medio de un dibujo el balance de energía solar del planeta.

¿Qué es corriente de aire?

¿Qué es viento?

¿Cuáles son los principales tipos de vientos?

¿Qué son masas de aire?

Explica: vientos venezolanos barinés y calderas.

¿Qué son frentes?

Describe por medio de un dibujo los tipos de frentes.

Explica la distribución de los vientos

¿Qué son vientos alisios?

Explica el efecto coriolis

Realiza un cuadro comparativo sobre brisa de mar y brisa de la tierra

¿Qué son celdas convectivas?

Realiza un cuadro comparativo sobre ciclones, tornados, huracanes, trombas.