BLOQUE IV. DINÁMICA DE MASAS FLUÍDAS 1. INTRODUCCIÓN Llamamos capas fluidas a la atmósfera y a la hidrosfera porque ambas están constituidas por fluidos (Aire y agua). Constituyen la máquina climática.

1.1. EL CICLO DEL AGUA

El agua está en constante movimiento en la naturaleza. La lluvia y la corriente de los ríos son muestras de este movimiento. El agua pasa continuamente de unos lugares a otros del planeta: de la atmósfera cae a la tierra, a los ríos y los mares, y de todos estos, por evaporación, vuelve a la atmósfera. Este movimiento continuo del agua de unos puntos a otros es lo que se denomina ciclo del agua.

En el ciclo del agua intervienen también los seres vivos. Por ejemplo, los árboles mueven una gran cantidad de agua: la absorben del suelo por sus raíces y pierden una parte de este agua por sus hojas. El aporte de agua a la atmósfera por parte de las plantas se denomina evapotranspiración, y es un agente importante en el movimiento del agua entre la biosfera, la atmósfera y la hidrosfera.

1.2. FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA CLIMÁTICA

Gradiente Se llama así a la diferencia existente entre dos puntos en algunos de los parámetros atmosféricos (temperatura, humedad o presión). La existencia de un gradiente entre dos puntos situados a cierta distancia, genera un movimiento de circulación del fluido, entre los dos extremos. En el caso de la atmósfera el transporte lo realiza el viento, en la hidrosfera, las corrientes oceánicas. El flujo cesa cuando los parámetros se igualan. Encontramos dos tipos de movimientos:

• Movimientos verticales. Son ascendentes y descendentes en ambos fluidos, dependen de la temperatura a la que se encuentren y esto afecta también a su densidad. El aire se calienta por el calor irradiado por la tierra por lo que tenderá a subir, y el aire frío y denso bajará. En el caso del agua, se calienta superficialmente por lo que no habrá movimientos, ya que el agua caliente y menos densa no descenderá.

• Movimientos horizontales. Vientos y corrientes oceánicas. Debidos a la desigual insolación de la superficie terrestre, de tal manera que se amortiguan diferencias térmicas. La presencia de masas continentales dificulta este transporte.

2. LA ATMÓSFERA

2.1. COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA Clasificamos los componentes atmosféricos en tres grupos:

• Mayoritarios (Nitrógeno, oxígeno, Argón y Dióxido de carbono) • Minoritarios o gases raros. A su vez se dividen en;

o Reactivos: Monóxido de carbono, Metano, hidrocarburos, Óxidos de nitrógeno, Amoniaco, óxido de azufre y ozono

o No reactivos: Helio, neón, kriptón, xenón, hidrógeno. • Variables: Vapor de agua y contaminantes- 2.2. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA ATMÓSFERA

2.2.1. ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA Está formada por las siguientes capas:

2.2.1.1.Troposfera Es la capa inferior y termina en la tropopausa. Mide de 12 a 16 kilómetros. Concentra el 80% de los gases. La presión atmosférica desciende bruscamente en esta capa. La temperatura va de 15 ºC a -70 ºC en la tropopausa. Esta disminución tiene un valor de 0’65ºC/100 m y se denomina gradiente vertical de temperatura (GTV). Aquí tiene lugar el efecto invernadero y ocurren la mayoría de los cambios metereológicos (Capa del clima). En los primeros 500 metros (Capa sucia) se acumulan la mayoría de los contaminantes y el polvo.

2.2.1.2.Estratosfera Se extiende la estratosfera hasta la estratopausa, situada 50-60 km. El aire es

muy tenue. Los movimientos son horizontales. Entre 15 y 30 km se encuentra la capa de ozono. La temperatura aumenta hasta los 4º C en la estratopausa. La capa de ozono juega un papel muy importante filtrador de los rayos ultravioleta. Presenta un espesor variable. En la atmósfera ocurren a la vez tres reacciones: Fotolisis (ruptura) de oxígeno por la luz ultravioleta, formación de ozono y destrucción de ozono mediante fotolisis del ozono, o por reacción con oxígeno atómico. En condiciones normales estas reacciones están en equilibrio dinámico. Por debajo de los 30 km apenas llegan rayos UV por lo que este ozono se acumula.

2.2.1.3.Mesosfera Se extiende hasta la mesopausa. Densidad del aire muy reducida. Se producen estrellas fugaces. La temperatura desciende hasta -80ºC.

2.2.1.4.Ionosfera o termosfera Hasta el kilómetro 600. La temperatura aumenta hasta 1000ºC por la absorción de rayos X y gamma. Produce un campo magnético muy importante en tormentas. Rebotan ondas de radio. En las zonas polares se producen las auroras boreales.

2.2.1.5.Exosfera Hasta el kilómetro 800. Baja densidad atmosférica.

2.2.2. FUNCIÓN REGULADORA DE LA ATMÓSFERA La cantidad de radiación incidente sobre la tierra, o balance de radiación solar depende, además de la radiación incidente, de la estructura física y la composición química de la atmósfera que da lugar a las condiciones térmicas especiales de nuestro planeta. (Hacer ejercicio 2, pag. 194)

2.3. DINÁMICA ATMOSFÉRICA Los movimientos verticales de la troposfera se denominan de convención y se deben a variaciones de temperatura, humedad y presión atmosféricas.

• Convención térmica. Originados por diferencias de temperatura entre aire superficial más caliente y menos denso, que tiende a elevarse formando corrientes térmicas ascendentes, y el superior más frío y denso que tiende a descender.

• Convención por humedad. Por la presencia de vapor de agua en el aire, que lo hace más denso que el aire seco. El vapor de agua presente en la atmósfera se puede medir de dos maneras:

o Humedad absoluta. Es la cantidad de vapor de agua que hay en un volumen determinado de aire y se expresa en g/m3. No es significativo porque la cantidad de agua depende de la temperatura. Cuando no puede admitir más cantidad de vapor se dice que está saturado de humedad. En la curva de saturación se puede ver como a cada punto le corresponde una temperatura, el punto de Rocío. (Ver hoja siguiente)

o Humedad relativa. Es la cantidad en tanto por ciento de vapor de agua que hay en un metro cúbico de aire en relación con la que suele contener a la temperatura a la que se encuentra.

Cuando una masa de aire se eleva se va enfriando a medida que asciende hasta el punto de rocío. Entonces el vapor de agua se condensa y se hace visible. A la altura a la que esto sucede se le llama nivel de condensación y se forme una nube. (Siempre que existan núcleos de condensación).

• Movimientos verticales debidos a la presión atmosférica. La presión ejercida por la columna de aire sobre el nivel del mar es de una atmósfera en condiciones normales, esto equivale a 760 mm de mercurio y a 1013 mbar. La presión varía en función de la humedad y la temperatura del aire. Las isobaras son líneas que unen puntos de igual presión. Anticiclón es una zona de alta presión cuyas isobaras descienden desde el centro al exterior, y una borrasca o zona de baja presión los valores van aumentando desde el centro.

2.3.1. GRADIENTES VERTICALES

Llamamos gradiente vertical a la diferencia de temperatura entre dos puntos situados a una diferencia de altitud de 100m.

2.3.1.1.Gradiente vertical de temperatura GVT Representa la variación vertical de la temperatura en condiciones estáticas o de reposo que, suele ser de 0,65º C/100 m. Se trata de un valor muy variable.

2.3.1.2.Inversión térmica Es el espacio atmosférico en el cual la temperatura aumenta con la altura en lugar de disminuir, es decir, en el que el GVT es negativo. Las inversiones térmicas impiden los movimientos verticales de aire. Pueden ser permanentes (tropopausa) o temporales.

2.3.1.3.Gradiente adiabático seco (GAS) 1º C/100 m. Se denomina seco por llevar el agua en forma de vapor. Es un gradiente dinámico, ya que afecta a una masa de aire que se encuentra realizando un movimiento vertical por estar en desequilibrio hasta que este equilibrio se iguala. La masa de aire puede considerarse como un sistema aislado o adiabático porque no intercambia calor con el aire circundante.

2.3.1.4.Gradiente adiabático saturado o húmedo (GAH) En el momento en el que la masa ascendente de la que hablamos en el GAS alcanza el punto de rocío, se condensa el vapor de agua que contenía y se forma una nube. En la condensación se libera el calor latente que permitió su evaporación por lo que el GAH será menor que el GAS (entre 0,3 y 0,6 º C /100m) La masa continuará ascendiendo pero el GAH irá aumentando a medida que pierde humedad hasta volver a ser nuevamente el GAS. El GAH depende de la cantidad de vapor de agua inicial. Así en latitudes tropicales será de 0.3 y las nubes alcanzarán mucha altura.

2.3.2. CONDICIONES DE ESTABILIDAD E INESTABILIDAD ATMOSFÉRICA

2.3.2.1.Condiciones de inestabilidad

Se denominan así a las condiciones atmosféricas que se dan cuando existen movimientos ascendentes de una masa de aire cuya temperatura interior varía conforme al gradiente GAS en el seno de una masa aérea estanca ambiental. Para el ascenso se tiene que cumplir que GVT>GAS, o lo que es lo mismo que el aire exterior se enfríe más deprisa que el interior. Al existir movimientos verticales, se formará una borrasca en superficie, que dará lugar a un viento que converge desde el exterior al interior de la misma.

2.3.2.2.Condiciones de estabilidad o subsidencia La situación es inversa y propicia el descenso a la superficie de una masa de aire frío y denso. Esta se va secando por calentamiento. En la superficie, las subsidencias van a

originar un anticiclón. Debido al aplastamiento contra el suelo, los vientos partirán desde el centro hacia fuera. Encontramos dos situaciones:

• GVT positivo y menor que GAS. No hay movimientos verticales. • GVT negativo. Inversión térmica que forma nieblas.

3. DINÁMICA DE LAS MASAS FLUÍDAS A ESCALA GLOBAL 3.1. DINÁMICA ATMOSFÉRICA

La circulación atmosférica es llevada a cabo por el viento. El viento superficial es divergente en los anticiclones y convergente en las borrascas. Por esta razón si un anticiclón y una borrasca se encuentran próximos el ciento sopla desde los anticiclones a las borrascas, mientras que por la parte superior el viento de altura lo hace en sentido contrario. La trayectoria de este viento no es rectilínea ya que el relieve puede frenarlo, amplificarlo o formar torbellinos. También le afecta el efecto de Coriolis.

3.1.1. El efecto de Coriolis El efecto de Coriolis es consecuencia del movimiento de rotación terrestre y de su giro antihorario. No tiene un valor constante, es máxima en los polos y minima en el ecuador donde se anula. La circunferencia correspondiente al ecuador terrestre es mucho más grande que lo formada por los paralelos terrestres, sin embargo todas dan una vuelta con cada movimiento, por lo que las más pequeñas tienen que girar a menor velocidad que las más grandes. Los vientos circulan desde los anticiclones a las borrascas en sentido radial, siguiendo el gradiente de presión. Sin embargo al ser desviadas por la fuerza de Coriolis, el resultado es un giro horario en torno a los anticiclones y antihorario a las borrascas en el hemisferio norte.

3.1.2. Circulación general de la atmósfera

En zonas ecuatoriales gran calentamiento. El aire caliente tenderá a ascender, dando lugar a corrientes ecuatoriales. En zonas polares las bajas temperaturas van a provocar un aplastamiento del aire frío contra el suelo y el asentamiento de un anticiclón polar permanente sobre ellas. Debido al efecto de cortiolis, no se realiza el paso del anticiclón a la borrasca en una sola células sino que se provoca el transporte mediante tres tipos de células: de Hadley, polares y de Ferrel.

3.1.2.1. Célula de Hadley. En las borrascas ecuatoriales se produce una elevación del aire hasta la tropopausa. El efecto de Coriolis le desvía. A los 30º de latitud norte o sur, desciende hacia los continentes originando una zona de anticiclones subtropicales que originarán los mayores

desiertos. El anticiclón subtropical de las Azores es el que más efecto hace sobre el país. La célula se cierra gracias a los alisios, vientos superficiales que soplan desde el anticiclón subtropical al ecuador, originando la ZCIT-

3.1.2.2.Célula polar. Parte de los anticiclones polares (levante polar) y llega hasta los 60º de latitud, formando las borrascas subpolares que afectan a nuestro país en invierno.

3.1.2.3. Célula de Ferrel. Se encuentra entre las dos anteriores, y se forma por la acción de los vientos superficiales del oeste, que soplan desde los anticiclones deserticos hacia las zonas de borrascas polares.

3.2. DINÁMICA DE LA HIDRÓSFERA DINÁMICA DE LA HIDROSFERA

3.2.1. LA HIDROSFERA COMO REGULADOR

TÉRMICO La hidrosfera actúa como regulador térmico debido al elevado calor especifico del agua que les hace capaces de absorber y almacenar mucha energía calorífica. Debido a esto los lugares situados junto a los océanos poseen una menor amplitud térmica (menores diferencias entre el día y la noche). Debido a la lejanía de los océanos, el interior de los continentes se enfría mucho en invierno, lo que da lugar al enfriamiento del aire que los cubre. Esto origina un anticiclón continental que favorece las heladas y las nieblas. En las zonas de costa sin embargo se originan brisas marinas, que atenúan la amplitud térmica.

3.2.2. CORRIENTES

OCEÁNICAS Las corrientes marinas constituyen un mecanismo de transporte de calor más eficaz que la atmósfera. Hay dos tipos de corrientes:

���� CORRIENTES SUPERFICIALES

Las principales corrientes realizan una trayectoria que está condicionada por el giro del viento en torno a los anticiclones, movidas principalmente por los vientos alisios que arrastran a las aguas oceánicas en el sentido W-E. Cuando alcanzan la costa oeste, retornan a su lugar de origen, constituyendo las corrientes de deriva del oeste. En las costas orientales se pueden desviar hacia altas altitudes como la Corriente del Golfo o a zonas tropicales como la corriente de Canarias. En la zona ecuatorial se suele formar la contracorriente ecuatorial, que va de oeste a este.

���� CORRIENTES PROFUNDAS Originadas por la diferencias en la densidad del agua, que es mayor cuanto más fría y /o salada esté, tendiendo a hundirse para dar lugar a una circulación termohalina vertical. Se enfría el agua superficial que desciende provocando el afloramiento del agua más profunda y cálida para ocupar su lugar.

3.2.3. EL OCÉANO GLOBAL Es el conjunto de todos los mares y océanos del planeta. El océano es un almacén de C02 y un medio de transporte muy eficaz de calor o nubosidad.

3.2.3.1.La cinta transportadora oceánica Se denomina así a una especie de río que recorre la mayoría de los océanos del planeta. En la primera parte lo hace como corriente profunda, y en la segunda como corriente superficial. Se inicia en groelandia donde se hunde y asciciende enn parte en el océano Anartico en el Índico y en el pacífico. Posteriormente hace el fenómeno inverso en forma de corriente superficial.

3.2.3.2.El fenómeno del niño

���� Situación normal. Los vientos alisios empujaban hacia el oeste al agua superficial del pacífico originándose el afloramiento de agua y la fertilización de la zona. Los vientos parten de un anticiclón de la Isla de Pascua y concluyen en una borrasca situada en las proximidades del continente asiático.

���� Situación anómala El niño. Llamando Oscilación Meridional (o ENSO). Se debe a un excesivo calentamiento superficial de las aguas en las costas del Perú. Ocurre cada 3-5 años y dura 18 meses, alcanzándose un valor máximo en navidad. La ENSO se produce cuando los vientos alisios amainan y no arrastran los vientos alisios y no arrastran el agua de la superficie hacia el oeste. El agua superficial se caldea y se forma una borrasca en las zonas de Perú. No hay afloramiento porque persiste la termoclina y la riqueza pesquera decae.

4. EL CLIMA

4.1. CONCEPTOS Y PARÁMETROS La climatología es la ciencia que se ocupa del estudio del clima, que es el conjunto de fenómenos de tipo metereológico que caracterizan la situación y el tiempo atmosféricos en un lugar determinado de la Tierra. Para comprender el clima, debemos saber elaborar e interpretar climogramas. En un climograma los meses de sequía son aquellos en los que las precipitaciones son menores que el doble de la temperatura, y los meses de humedad son mayores que el doble de temperaturas.

4.1.1. FORMACIÓN DE LAS PRECIPITACIONES Precipitación es la caída de agua líquida o sólida sobre la superficie terrestre. Para que tengan lugar las precipitaciones deben generarse nubes lo que tiene lugar de tres maneras diferentes: por convección térmica, por ascenso orográfico y por convección en un frente.

4.1.1.1.Nubes de convección térmica

Se forman como consecuencia del ascenso convectivo de aire cálido y húmedo hasta alcanzar el nivel de condensación. Se forma nube tipo cúmulo. Si hay suficiente calor y humedad se agrupan los cúmulos formando cumulonimbos, donde hay mucha diferencia entre la base y la cima. Esto hace que haya corrientes en su interior y las moléculas van chocándose y uniéndose durante el ascenso. Así se forman gotas de mayores dimensiones que caen en forma de precipitaciones.

4.1.1.2.Nubes por ascenso orográfico

Se producen por el ascenso de una masa de aire húmedo con una montaña hasta su nivel de condensación. Las nubes son de desarrollo horizontal y se llaman estratos, y originan precipitación horizontal. Una vez culminado la cima de la montaña desciende sin humedad por el lado opuesto originando una zona sombra de lluvias.

4.1.1.3.Nubes por convección en un frente Se produce un frente o zona de contacto entre dos masas de aire de distinta temperatura y humedad. Las dos masas se comportan como sistemas aislados, chocan y en la zona de contacto entre ellas (el frente) se libera energía originada por la diferencia de temperaturas en forma de lluvias o vientos. Se trata de borrascas frontales o móviles. Tres tipos de frentes:

• Frío. Una masa de aire frío es movida por el viento hasta que entra en contacto con una de aire cálido. La fría se introduce como una cuña obligando a ascender a la caliente que origina una borrasca. Durante el ascenso el aire frío se condensa y produce nubes de desarrollo vertical (cumulonimbos) y abundantes precipitaciones.

• Cálido. Una masa de aire cálido se mueve hasta

encontrarse con una de aire frío. La que asciende es la cálida. Es un ascenso lento que origina nubes horizontales (nimboestratos y altoestratos). Lluvias débiles y persistentes y nieves. En las capas más altas se originan cirros.

• Ocluido. Aparecen en superposición de dos

frentes diferentes, uno frío y otro cálido. El cálido tiende a perder el contacto con el suelo (oclusión) dejando al otro en contacto con las superficie. Este frente origina precipitaciones de los dos tipos.

4.1.2. TIPOS DE PRECIPITACIONES

4.1.2.1.Lluvias Precipitaciones en forma líquida. Llovizna, lluvia persistente y chubasco. Los dos últimos pueden originar inundaciones y su peligro aumenta si lo hace su intensidad y frecuencia. Las lluvias torrenciales son aquellas superiores a 200 litros por metro cuadrado en 24 horas. Originan inundaciones. En función de la lluvia

caída en 12 horas se originan tres tipos de sistemas de alerta: blanca (hasta 15 l/m2), amarilla (entre 16-50 l/m2) y roja (entre 50-100 l/m2)-

4.1.2.2.Tormentas Se originan siempre en un cumulonimbo. Para que haya una tormenta tienen que existir una intensa convección y unas fuertes corrientes térmicas ascendentes que originan procesos de electrificación mediante los cuales los cristales se quedan con carga positiva y las gotitas de agua con carga negativa. La superficie terrestre también se carga positivamente. Las cargas positivas se acumulan en lugares puntiagudos. De esta manera el campo eléctrico queda invertido, y se generan fuertes corrientes eléctricas que dan lugar a rayos. Posteriormente se origina el trueno como consecuencia de la onda expansiva al calentarse el aire en contacto con el rayo hasta 8000 ºC.

4.1.2.3.Nieve y granizo Si los cristales de hielo de la cima de un cumulonimbo choca con otros cumulonimbos se forman los cristales hexagonales que constituyen la nieve. Las ventiscas son combinaciones de viento superior a 50 km/h y temperaturas de -7º C, que pueden paralizar la vida de las ciudades, problemas de tráfico y víctimas. El granizo se origina cuando los cristales de hielo de la cima caen hasta la zona intermedia de la nube y los envuelve de humedad. Si las corrientes térmicas lo elevan de nuevo, se añade una capa más de hielo haciendo que aumente su diámetro. Se puede repetir varias veces hasta que cae. El granizo de gran tamaño se denomina pedrisco. Ejercicio 8, página 212.

4.2. EL CLIMA EN NUESTRAS LATITUDES

El clima en el hemisferio norte viene determinado por la posición que ocupe el frente polar y la corriente de chorro.

4.2.1. El chorro polar

También denominado jet stream es un velocísimo río de viento que rodea la tierra, como una serpiente que se muerde la cola, a la altura de la tropopausa y en sentido oeste a este.

4.2.2. El frente polar Está formado por una serie de frentes, cálidos, fríos y ocluidos que rodean a la Tierra como si fueran un frente único, y, como cualquier otro frente, es una zona imaginaria que separa dos masas de aires de distinta temperatura, fría al norte y cálida al sur.

El vórtice circumpolar es un conjunto de borrascas ondulatorias que, en conjunto, constituyen el frente el frente polar. En la imagen de la derecha se puede observar como se forman las borrascas ondulatorias.

4.2.3. Anticiclones de bloqueo

En ocasiones la dilatación permanece y se forman anticiclones de bloqueo que permanecen inmóviles durante días, impidiendo la entrada de lluvias y originando sequías. En otras latitudes se desvían las borrascas y se producen lluvias torrenciales e inundaciones.

4.2.4. El clima en España

En verano el anticiclón de las Azores bloquea la entrada de borrascas a nuestro país. Las lluvias son de carácter tormentoso. Es frecuente que lleguen vientos del anticiclón del Sahara originando calimas. En invierno, el anticiclón de las Azores se desplaza hacia el sur, por lo que no tendría impedimento para la entrada de precipitaciones, sin embargo se comporta como un continente y se forma un anticiclón de bloqueo, que da lugar a heladas, nieblas y sequías. Las precipitaciones son de tipo frontal. En primavera y otoño desaparece el anticiclón de bloqueo y entran borrascas ondulatorias frontales.

4.2.4.1.La gota fría Se trata de la entrada de aire frío a cierta altura; al encontrarse de repente rodeado con un aire más cálido y menos denso, va a descender en espiral hasta alcanzar la superficie. A la vez se originará una borrasca por el ascenso conectivo del aire cálido y húmedo y se formará una nube de rápido desarrollo vertical, que dará lugar a fuertes aguaceros o nevadas.

4.2.4.2.los tornados Columna giratoria de viento y polvo de unos 50 metros de anchura. Se forma por un remolino que resulta de un calentamiento excesivo de la superficie terrestre. La velocidad de hasta 500 km/h, hace que sean fenómenos rápidos, peligrosos y devastadores. A los riesgos hay que añadir lluvias torrenciales e intensas granizadas.

4.3. EL CLIMA DE LAS LATITUDES BAJAS (ZCIT) 4.3.1. Los monzones

En el invierno del hemisferio norte cuando la ZCIT está más al sur, en Asia se instala un anticiclón continental, que expulsa hacia fuera vientos fríos y secos. En verano, al

deshacerse el anticiclón el ZCIT asciende , situándose sobre Asia, entonces comienzan las lluvias monzónicas de la India y el sudeste de Asia, porque los vientos del sudoeste son húmedos, ya que proceden de un anticiclón situado sobre el océano Índico.

4.3.2. Tifones, huracanes o ciclones

Los tres términos significan lo mismo. Un huracán es un grupo de tormentas muy próximas entre sí que tiene un diámetro medio de 500 km y giran en espiral en torno al ojo del huracán de aproximadamente 40 km de diámetro. El giro en espiral es debido al efecto de Coriolis. Debajo del ojo del huracán se eleva el agua del mar, que da lugar a que las olas puedan llegar a la tierra y asolar las costas. Los mayores peligros se deben a la velocidad del viento en torno al ojo, las inundaciones por el oleaje y las fuertes lluvias. Para la prevención se hace un seguimiento en satélite de los mismos y se alerta a la población. Como medida estructural se pueden construir viviendas adecuadas que son muy caras.