Tema 9

Dinámica de las masas fluidas

1.- Introducción

Llamamos capas fluidas a la atmósfera y a la hidrosfera que juntas son las que constituyen la máquina climática , sistema dinámico que funciona con energía solar y determina el clima

La interacción más importante entre estas dos capas dentro de la máquina climática es lo que conocemos como ciclo del agua movido por la energía solar y la gravedad

Evaporación ( calor del sol) y la transpiración atmósferaSe enfría y se condensa formando las nubesEl agua cae en forma de precipitaciones a la Tierra y ahí puede seguir distintos caminos:Escorrentía superficial( desplazamiento sobre la superficie terrestre hacia zonas más bajas),Retenida ( en el que influye el suelo , clima y seres vivos) por infiltración atravesando las capas del terreno y se incorpora a las aguas subterráneas (escorrentía subterránea) y ahí circula hasta el mar donde comienza de nuevo el ciclo

2.- Funcionamiento de la máquina climática

Se basa en los movimientos generados debido a la existencia de gradientes entre dos puntos , es decir la diferencia de temperatura humedad o presión existente entre dos puntos

Esa diferencia tiende a equilibrarse y se produce un movimiento de los fluidos ( vientos o corrientes oceánicas)

El comportamiento de la atmósfera y de la hidrosfera es distinto debido a las diferencia en cuanto a la densidad, compresibilidad, movilidad, capacidad para almacenar el calor y capacidad para conducir el calor

a) Movimientos verticales : dependen de la temperatura a la que se encuentren estos fluidos que afecta no solo a los gradientes de temperatura sino también a la densidad

El aire , mal conductor de calor se calienta no por la radiación solar sino por el calor irradiado de la Tierra: El aire de la superficie más caliente y menos denso tenderá a subir, enfriándose a medida que asciende

El agua mejor conductora del calor se calentará en superficie , permaneciendo más fría en profundidad, por ello sólo habrá movimientos verticales en aquellas zonas en las que debido al clima el agua de la superficie está más fría que la del fondo

b) Movimientos horizontales

El desplazamiento de los vientos o de las corrientes se debe al contraste térmico generado por la desigual insolación de la superficie terrestre entre los polos y el ecuador. Gracias a este transporte de calor se amortiguan las diferencias térmicas entre el ecuador y los polos

3.- Composición y estructura de la atmósfera

Clasificamos a los componentes atmosféricos en:

• Mayoritarios: N2(78%), O2(21%), Ar(0,93%), CO2(0,03%)

• Minoritarios que pueden ser reactivos (CO, metano. Hidrocarburos, NO, amoniaco, dióxidos de azufre y nitrógeno, ozono) y no reactivos (He, Ne, Kr, Xe, hidrógeno)

• Variables.( vapor de agua y contaminantes)

La atmósfera se divide en capas con diferentes comportamientos con respecto a la temperatura y distintas funciones:

• La troposfera, que abarca hasta un límite superior llamado tropopausa que se encuentra a los 9 Km en los polos y los 16 km en el ecuador. En ella se producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua, por su cercanía a la hidrosfera. Por todo esto es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos: lluvias, vientos, cambios de

temperatura, etc. Es la capa de más interés para la ecología. En la troposfera la temperatura va disminuyendo conforme se va subiendo, hasta llegar a -70ºC en su límite superior. Esta disminución tiene un valor medio de 0,65ºC/100m y se denomina gradiente vertical de temperatura

También se observa una disminución de la presión . En ella se concentran el 80% de los gases que posibilitan la vida.

Aquí tiene lugar el efecto invernadero originado por la presencia de ciertos gases que absorben prácticamente toda la radiación infrarroja procedente del Sol y el 80 % de la emitida por la superficie terrestre

A los primeros 500m de esta capa se le llama capa sucia ya que se acumulan los distintos contaminantes

2.- La estratosfera comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite superior llamado estratopausa que se sitúa a los 50 kilómetros de altitud.

En esta capa la temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 km/hora, lo que facilita el que cualquier sustancia que llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez, que es lo que sucede con los CFC que destruyen el ozono.

En esta parte de la atmósfera, entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra la capa de ozono que tan importante papel cumple en la absorción de las dañinas radiaciones de onda corta. 

3.- mesosfera

Se extiende hasta la mesopausa (Km 80)

La temperatura disminuye de nuevo hasta los -80ºC

Cualquier partícula que llega se inflama produciendo lo que se conoce como estrellas fugaces

4.- Ionosfera o termosfera: se prolonga hasta el kilómetro 600 aproximadamente. Aquí la temperatura aumenta hasta los 1000ºC debido a la absorción de las rayos X y gamma del Sol, que convierten al nitrógeno y al oxígeno en iones de carga positiva. Esto da lugar a un campo magnético entre la ionosfera( positiva) y la superficie terrestre ( negativa)

El aire está tan enrarecido que la densidad es muy baja. Son los lugares en donde se producen las auroras boreales y en donde se reflejan las ondas de radio, pero su funcionamiento afecta muy poco a los seres vivos

5.- Exosfera. Se extiende hasta el kilómetro 800 y su límite viene marcado por una bajísima densidad similar a la del espacio exterior

4.-FUNCIÓN REGULADORA DE LA ATMÓSFERALa cantidad de radiación incidente sobre la Tierra depende además de la propia radiación de la estructura y composición química de la atmósfera que da lugar a las condiciones térmicas adecuadas a la existencia de vida

Así de la radiación solar incidente el 25 % es reflejada por la atmósfera, otro 25% es absorbida por la atmósfera ; el 5% es reflejado por la tierra y solo se absorbe un 45% Además gran parte del calor emitido por la Tierra es devuelto por la atmósfera ; fenómeno conocido como efecto invernadero .

5.- DINAMICA ATMOSFÉRICA

Los movimientos verticales que tienen lugar en la troposfera se denominan de convección y se deben a variaciones de temperatura , presión y humedad

A) Convección térmica. Son movimientos originados por el contraste de la temperatura del aire entre la parte superficial( más caliente y menos denso) que tiende a elevarse y la parte superior más fría y densa que tiende a descender

B) Convección por humedad

Se originan por la presencia de vapor de agua en el aire que lo hace menos denso ya que al contener más agua desplaza a otros componentes de mayores masas

La cantidad de vapor de agua se puede medir de dos maneras:

1.- humedad absoluta: cantidad de vapor de agua que hay en un volumen determinado de aire

No da mucha información porque el valor depende de la temperatura.

Cuando el aire no puede contener más humedad se dice que se ha alcanzado la saturación. A la temperatura se le denomina punto de rocío

2.- Humedad relativa: es la cantidad en tanto por ciento de vapor de agua que hay en 1 m3 de aire en relación con la máxima que podría tener a esa temperatura

Cuando una masa de aire se eleva se va enfriando a medida que asciende hasta que la temperatura llega al punto de rocío . Entonces el vapor de agua comienza a condensarse. A la altura donde esto sucede se le llama nivel de condensación. Si además existe partículas de polvo, humo, NaCl, NOx H2S ( núcleos de condensación) se formará una nube

C) Convección por presión

La presión en un punto geográfico determinado no es siempre la misma, sino que varía en función de la humedad y la temperatura. En los mapas del tiempo se trazan una serie de isobaras que unen los puntos de igual presión

Cuando exista una masa de aire poco denso ( cálido y/o húmedo) en contacto con la superficie terrestre se elevara empujada por corrientes de convección térmica ascendente. Como consecuencia el lugar que previamente ocupaba esa masa quedará vacío ( bajará la presión) . Se formará entonces una borrasca, en la que el viento sopla desde el exterior hasta el centro

En los mapas del tiempo la borrasca se representa con una B rodeada de isobaras cuyos valores van aumentando desde el centro hacia el exterior

Cuando una masa de aire frío se halla a cierta altura tiende a descender hasta contactar con el suelo. En la zona de contacto aumenta la presión y se forma un anticiclón donde los vientos tienden a salir desde el centro hacia el exterior En el mapa del tiempo se representa con una A rodeada de isobaras cuyos valores van disminuyendo

6.- GRADIENTES VERTICALES

Se define como la diferencia de temperatura entre dos puntos situados a una distancia de 100 metros

Tres tipos

d) Gradiente vertical de temperatura (GVT) : Representa la variación vertical de temperatura del aire en condiciones estáticas Suele ser de 0,65ºC/100m aunque este valor puede variar con la altitud, latitud estación del año…

Se define inversión térmica al espacio aéreo en el que la temperatura aumenta con la altura ( GVT negativo). Puede presentarse a cualquier altura de la troposfera e impide los movimientos verticales del aire. Existen también inversiones térmicas ocasionales

b) Gradiente adiabático seco (GAS)

Se denomina seco porque el aire lleva vapor de agua y adiabático porque se trata de una masa de aire que no intercambia calor con el aire circundante ( aire es un mal conductor)

Es un gradiente dinámico ya que la masa de aire realiza un movimiento por estar en desequilibrio ( diferente humedad o temperatura) con el aire que lo rodea. El valor del gradiente es de 1ºC/100m

c) Gradiente adiabático saturado (GAH)

La masa de aire seco alcanza el punto de rocío se condensa y forma una nube. En la condensación libera calor por lo que el gradiente es más reducido ( entre 0,3-0,6ºC). La masa proseguirá su ascenso y el gradiente aumentará progresivamente a medida que el aire pierde humedad hasta que todo el vapor se haya condensado

6.1 Condiciones de estabilidad o inestabilidad

Inestabilidad: se da cuando existen movimientos ascendentes de aire (GVT > GAS), es decir el aire exterior se enfría más deprisa que el interior. Se forma una borrasca en superficie lo que dará lugar a un viento convergente desde el exterior hacia el interior. Puede llover si la masa de aire contiene suficiente vapor y se puede condensar

Estabilidad: Descenso hacia la superficie de una masa fría y densa que se encuentra en altura y que se va calentando . Genera un aumento de presión es decir un anticiclón con vientos divergentes desde el centro hacia fuera impidiendo la entrada de precipitaciones ( tiempo seco)

Dos tipo de situaciones

a) Que el GVT< GAS: no se producen movimientos verticales porque el aire ascendente se enfría más rápidamente que el exterior

b) GVT negativo o inversión térmica: se forman nubes a ras del suelo ( niebla) que atrapa a las masas de aire contra el suelo. Atrapa a al contaminación impidiendo su dispersión

7.-CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA

En las zonas ecuatoriales el calentamiento es intenso debido a la incidencia vertical de los rayos solares; debido a ello el aire calienta de la superficie tenderá a ascender , dando lugar a borrascas ecuatoriales

En los polos ocurre al contrario formándose anticiclones polares

Teóricamente el viento que sopla en superficie tenderá a recorrer la Tierra desde los anticiclones polares a las borrascas ecuatoriales y el de las capas altas al contrario (un único ciclo o célula)Sin embargo, la fuerza de Coriolis provoca su desviación a la derecha provocando que el transporte se lleve a cabo mediante tres células

Célula polar: : el viento de superficie (levante polar) parte de los anticiclones polares hasta alcanzar los 60º de latitud dónde se elevará de nuevo formando las borrascas subpolares (afectan a España en invierno)

Célula de Hadley: En las borrascas ecuatoriales el aire asciende y se dirige a los polos hasta llegar a los 30º de latitud donde desciende formándose los anticiclones subtropicales que cuando se asientan sobre un continente originan los mayores desiertos del planeta

Una anticiclón subtropical es el anticiclón de las azores que es el que mayor influencia ejerce en el clima de nuestro país

En superficie el viento ( alisios que soplan del NE))) ira desde el anticiclón a la borrasca encontrándose los de ambos hemisferios en la ZCIT ( zona de convergencia intertropical )

Célula de Ferrel : Se forma por la acción de los vientos superficiales ( vientos del oeste soplan del SO) que soplan desde los anticiclones subtropicales hacia las zonas de borrascas polares.

En altura al contrario

En definitiva, desde el ecuador a los polos encontramos las siguientes bandas:· Zona de convergencia intertropical (ZCIT), zona de calma con ascenso de aire húmedo que da lugar a nubes y precipitaciones. En la ZCIT convergen los alisios del nordeste y del sureste. La posición de la ZCIT varía a lo largo del año, dependiendo de las estaciones; también se ve influida por la disposición de continentes y océanos.

· Entre la ZCIT y los 30º de latitud N y S, aproximadamente, se encuentra una banda en la que circulan los vientos alisios (del nordeste en el hemisferio N, del sureste en el S). A mayor altura circulan los contraalisios, en sentido contrario, cerrándose las células convectivas más próximas al ecuador.

· Las zonas de anticiclones tropicales se sitúan alrededor de los 30º de latitud (N y S). Hay altas presiones y precipitaciones escasas (desiertos). El aire que desciende en los anticiclones fluye cerca de la superficie terrestre, dando lugar a los alisios y a los vientos del oeste.

· Entre los 30º y los 60º, aproximadamente, de latitud N y S se encuentran unas bandas caracterizadas porque a baja altura fluyen vientos del oeste (a mayor altura lo hacen ensentido contrario). Estos vientos de las zonas templadas llegan a desplazarse sobre las masas de aire frío polar, más denso.

· Alrededor de los 60º de latitud, aunque la posición es variable, se sitúan las bandas de borrascas o bajas presiones subpolares (subártica y subantártica). El ascenso de aire caliente provoca la formación de nubes y precipitaciones.

La banda de convergencia entre los vientos occidentales y los polares cambia de posición, desplazándoseal norte o al sur.

· Entre los 60º de latitud y los polos se producen vientos del este (levantes polares) que se dirigen a la zona de borrascas subpolares. A mayor altura, los vientos circularán en sentido contrario cerrándose así las células convectivas polares.

· En los polos, las condiciones son casi siempre anticiclónicas.

Pero si queremos comprender la circulación atmosférica y su influencia en los climas, debemos tener en cuenta además otros factores · Distribución de continentes y océanos. · Distribución de cordilleras (efecto Foehn). Corriente en chorro (Jet Stream, chorro polar). · Océanos y circulación oceánica.

8.-DINÁMICA DE LA HIDROSFERA

La hidrosfera actúa como regulador térmico porque gracias a su elevado calor específico, es capaz de absorber y almacenar por más tiempo una gran cantidad de calor. Así los océanos se calientan y enfrían más rápidamente que los continentes

Por ello los lugares situados junto al mar tienen una menor amplitud térmica que los situados en el interior de los continentes debido a la acción de las brisas marinas que durante el día soplan del mar a la tierra y durante la noche se invierten.

La lejanía de los océanos provoca que el interior de los continentes presenten una elevada amplitud térmica día –noche, verano-invierno En invierno se originan anticiclones continentales que impiden la entrada de lluvias

El agua oceánica debido a su abundancia, a su gran poder calorífico y a las corrientes oceánicas constituyen un mecanismo de transporte de calor más eficaz que el atmosférico

Dos tipos de corrientes oceánicas según sea la fuente de origen:1.- Superficiales: son debidas a la acción del viento y están condicionadas por el giro del viento en torno a los anticiclonesLos vientos alisios las empujan de Este a Oeste y al llegar a la costa retornan las llamadas corrientes de deriva que van a sufrir una desviación hacia el norte ( llevan calor y suavizan su clima) como la corriente del Golfo y hacia las zonas tropicales y ecuatoriales ( refrescando su clima) ( corriente de canarias)

Otras corrientes importantes en la zona ecuatorial :contracorriente ecuatorial; las frías del polo norte: corrientes de labrador y Kamchatka y en el polo sur la circumpolar antártica

2.- Corrientes profundasSon originadas por las diferencias de densidad del agua , que es mayor cuanto más fría y/o salada esté , tendiendo a hundirse para dar lugar a un movimiento vertical ( circulación termohalina) ; donde el agua fría o con alta concentración de Sal en superficie tiende a descender y provocar el afloramiento del agua más profunda y cálida

Termoclina: superficie que separa, en vertical, aguas de diferente temperatura y densidad. La termoclina impide que se mezclen las aguas de distintas características. Solo cuando la termoclina se rompe se producen afloramientos

Océano globalEs el conjunto formado por todos los mares y oceános del planeta Es muy importante su estudio ya que es una importante almacén de CO2 y un medio de transporte muy eficaz de calor y nubosidad

a) CINTA TRANSPORTADORA OCEANICAEsta cinta es una especie de río o corriente que recorre la mayoría de los océanos del planeta, en la primera mitad lo hace como corriente profunda y en la segunda , en forma de corriente superficial por acción de los vientos dominantes

En las proximidades de Groenlandia el agua tiende a hundirse por ser más salada y fría . Recorre el fondo del Atlántico Norte a sur hasta que entra en contacto con las gélidas aguas del océano Antártico y asciende , retornando parte de ella a su lugar de origen

El resto se sumerge de nuevo y discurre por el Índico donde parte asciende y parte llega al pacífico , lugar en el que definitivamente asciende y se calienta. Posteriormente realiza el trayecto inverso en forma de corriente superficial

Esta cinta cumple dos funciones:

• Compensa el desequilibrio de salinidad y temperaturas existentes entre el Atlántico y el Pacífico

•Regula la cantidad de CO2 atmosférico ya que el agua fría al hundirse arrastra una gran carga de este gas

EL NIÑO Y LA NIÑA

El fenómeno de El Niño llamado también oscilación meridional ( o ENSO) es una fluctuación acoplada entre la atmósfera y el océano Pacífico austral

Normalmente los vientos alisios (soplan de E a O) empujan hacia el oeste al agua superficial del Pacífico sur creando un vacío en la zona este , junto a las costas de Perú y Ecuador. Esto produce un efecto de succión que da lugar a un afloramiento del agua profunda rica en nutrientes y por tanto en fitoplancton y en pesca

El Niño debe a un excesivo calentamiento superficial de las aguas del pacífico oriental en las costas del Perú . Ocurre cada 3- 5 años y suele durar 9-12 meses a veces unos 18 meses

Se produce cuando los vientos alisios amainan y no arrastran el agua de la superficie hacia el oeste. El agua superficial se caldea y se forma una borrasca. No se produce afloramiento porque persiste la termoclina y la riqueza pesquera decae.

Efectos:-Sequías en zonas habitualmente húmedas como

Indonesia, filipinas, E de Australia, centro y sur de África, NE de Brasil y América central

-Reducción de huracanes en el Atlántico- Aumento de lluvias torrenciales e inundaciones en

Perú, Ecuador, Brasil, Argentina , Uruguay…

Causas: se ignora exactamente , aunque hay dos teoríasg) Calentamiento climático que disminuye la intensidad

de los alisiosh) Aumento de la actividad volcánica en las dorsales

oceánicas que eleva la temperatura del agua del océano

La Niña es una exageración de la situación normal en la que los vientos alisios soplan con más intensidad de lo normal: se asocia con descensos en la temperatura media superficiales del océano Pacífico oriental-central. Se produce cada 3-5 años y suele durar de 1 a 3 años

Origina lluvias torrenciales y un aumento de tifones en Indonesia y Australia y con un incremento del número y de la intensidad de huracanes del Atlántico.