Circulación General: El origen de los vientos en la Atmósfera

El aire que sentimos en un día de playa o en medio de la lluvia nace de la incesante necesidad del sistema climático por equilibrar una diferencia de temperatura gigante que existe entre la zona tropical y la zona polar. En ese intento, surgen todos los fenómenos atmosféricos que percibimos día a día. Es así, que en esta publicación veremos cómo se mueve el aire y de qué forma determina el clima en diferentes zonas del planeta.

Mientras los habitantes de las zonas tropicales disfrutan las altas temperaturas en casi todas las épocas del año, los que viven más cerca del área polar prácticamente viven congelados. Esta característica del Planeta es fundamental para todos los procesos meteorológicos que sentimos día a día. Debido a que la cantidad de energía que recibe la Tierra es máxima sobre la zona ecuatorial y mínima en los polos, hay un desbalance energético muy grande entre estas dos zonas.

Así como la popular y reciente serie para ordenar la casa de la japonesa Marie Kondo en Netflix, la naturaleza tiene sus propios mecanismos para ordenar este caos energético y llevar ese exceso de energía del ecuador hacia donde hay menos, en los polos. Estos mecanismos pueden ser por contacto (conducción), a través de ondas (radiación) o mediante movimientos, tanto verticales (convección) como horizontales (advección).

Figura 1. Celda de circulación directa, asumiendo calentamiento diferencial, ausencia de rotación planetaria y superficie acuática.

El tan ansiado equilibrio térmico global no se alcanza pero en ese intento surgen varios procesos interesantes.

Ahora bien, si supusiéramos que la Tierra no rota y que sólo posee un gran océano, el ecuador recibiría más calor, el aire cálido al ser más liviano (menos denso) se eleva,  mientras que el aire frío más pesado (denso) desciende. Por lo tanto, el movimiento del aire sería el siguiente: aire cálido que comúnmente se observa en los trópicos debería ascender y desplazarse hacia los polos en altura, llegando a la zona polar ya mucho más frío donde desciende, para así retornar en superficie hacia el ecuador, completando una circulación denominada “directa” de la Figura 1.

Sin embargo, la tierra rota y además posee continentes, haciendo todo mucho más complicado. La fuerza de “Coriolis” aparece debido a la rotación, desviando los movimientos del aire hacia la izquierda en el Hemisferio Sur (HS) y hacia la derecha en el Hemisferio Norte (HN) siendo más intensa a medida que son acercamos a los polos.

Bajo estos conceptos el movimiento del aire a escala global presenta tres grandes “celdas” de circulación, las cuales tienen directa relación con el clima y tipos de fenómenos meteorológicos que observamos en las diferentes latitudes. Estas se pueden observar durante todo el año y si bien se ven interrumpidas por los continentes, describen de manera adecuada el intercambio de calor a gran escala en la atmósfera planeta.

Hadley: Desde las tormentas a los grandes desiertos

La primera es la “Celda de Hadley” y funciona de manera similar a la circulación directa descrita anteriormente donde el aire cálido asciende y aire frío desciende. Lleva ese nombre en honor al meteorólogo inglés del siglo XVIII George Hadley, quien propuso la idea por primera vez. Esta circulación tiene origen en la zona ecuatorial donde el aire cálido y húmedo de la superficie asciende, generando un área de tormentas y bajas presiones conocida como Zona Intertropical de Convergencia (ZITC), tal como se ve en la figura 2 en la nube gigantesca del lado derecho de la imagen. Este aire sube hasta alcanzar la tropopausa (límite de la tropósfera con la estratósfera), en donde no puede continuar ascendiendo por lo que se obligada a desplazarse hacia los polos.

Figura 2. Esquema representativo de un corte latitudinal desde el Ecuador hasta el Polo Sur y la ubicación de las principales celdas de circulación: Hadley, Ferrel y Polar.

A medida que el aire en altura se mueve hacia el Sur (HS) va adquiriendo componente Oeste producto de Coriolis, además, al alejarse del ecuador este flujo se acelera debido a la “conservación de momento angular”, generándose una zona de intensos vientos del Oeste en altura conocida como “Corriente en Chorro Subtropical”, que se ubica en el borde sur de la Celda de Hadley (30° de latitud aproximadamente).

Por otro lado, en la parte sur de la celda de Hadley, se encuentra la región de altas presiones conocida como el Cinturón de Altas Presiones Subtropical (puedes ver aquí qué es importante el Anticiclón), presente en ambos hemisferios, y que se caracteriza por tener constante subsidencia – descenso de aire-, escasa humedad, poco a nulo viento, cielos mayormente despejados y altas temperaturas. Es en estas latitudes donde se ubican los principales desiertos del planeta, como el Desierto de Atacama en el Norte Chile.

Cuando el aire alcanza la superficie en esta zona de altas presiones una porción regresa hacia el Ecuador. Debido al efecto de Coriolis nuevamente el flujo de aire se desvía, formando una región de vientos del Este conocida como “vientos alisios” (figura 4), muy utilizado por los antiguos navegantes para cruzar los grandes océanos, principalmente desde Europa a América. Otra porción de aire se va en dirección al polo, tal como se ve en la figura 2 en el sector de latitudes medias.

Ferrel: Donde todo se mueve cada vez más rápido

Parte del aire que desciende en el límite sur de la Celda de Hadley se dirige hacia los polos sobre la superficie encontrándose  aproximadamente a los 60° de latitud con un flujo en dirección contraria proveniente desde el polo, el cual es mucho más frío, generándose una zona de contraste térmico denominada “frente polar”, donde el aire que avanza de Norte a Sur se ve forzado a ascender sobre el aire frío, de mayor densidad (para conocer más sobre los frentes ver acá).

Figura 3. Ubicación aproximada de las corrientes en chorro subtropical y polar.

Una vez que el aire alcanza la tropopausa vuelve hacia el Norte encontrándose en con el viento de la celda de Hadley y completando así la circulación. Al mismo tiempo, el flujo que se desplaza hacia el Sur en niveles bajos comienza a adquirir componente del Oeste -nuevamente Coriolis – generándose una región donde prácticamente todo viene desde esa dirección, conocida como la “Zona de los Oestes” (Westerlies en inglés) como se muestra en la figura 4.

Esta circulación es conocida como “Celda de Ferrel” en honor al meteorólogo norteamericano William Ferrel. En esa región de los Oestes, es en donde podemos observar una atmósfera más dinámica puesto que se produce un gran contraste de temperatura entre el aire subtropical y el polar. Esto a su vez produce, en altura, la famosa “Corriente en Chorro Polar” (figura 3) la cual ondula por todo el planeta, encargándose de transportar y darle energía a los sistemas frontales y bajas presiones en superficie, por lo que la parte sur de la Celda de Ferrel es una zona bastante tormentosa y ventosa, siendo muy difícil navegar a través de ella, tanto en barcos como aviones.

Polar: El aire acondicionado del Planeta

Por último pero no por eso menos importante, se ubica una tercera celda llamada Polar. Parte del aire que ascendió en el frente polar, retorna hacia el Sur en altura convergiendo y descendiendo cerca de los polos, generándose sobre ellos una zona de alta presión muy fría y seca, llamada “Alta Polar”.

Pese a lo que nuestra intuición nos puede decir sobre el continente blanco, allí abunda el aire seco, frío y sin precipitaciones; asociado a este descenso de aire desde niveles más altos. El aire al llegar a superficie diverge, es decir, se aleja hacia latitudes menores llevando consigo bajas temperaturas hacia zonas más cálidas, favoreciendo la generación de frentes en la zona de los Oestes. A esta circulación se le denomina “Celda Polar” y es la encargada de refrescar al resto del planeta, nuestro propio “aire acondicionado” natural.

Figura 4. Representación esquemática de las consecuencias en superficie de las Celdas de Circulación.

Hemos descrito de una manera simple el cómo y porqué se mueven los flujos en la tropósfera a gran escala, producto de dos principales factores: la temperatura y Coriolis. Si bien el clima de una región está influenciado por muchos más factores, como continentes, montañas, corrientes marinas etc.., la circulación general de la atmósfera entrega una idea de cómo la atmósfera intenta equilibrar su temperatura haciendo mucho más agradable las condiciones para el desarrollo de la vida.

Escrito por: Ricardo Vásquez. Editor: José Vicencio. Periodista: Paz Galindo.

Información para esta publicación:

• C. Donald Ahrens. Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, 9 ed, 2009.