Sumario La atmósfera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Andrew P. Ingersoll
La atmósfera caprichosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Manuel Puigcerver
Las nubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Jean-Pierre Chalon y Marc Gillet
La aurora dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Syun-Ichi Akasofu
Electrificación en las tormentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Earle R. Williams
Resplandores entre la Tierra y el espacio . . . . . . . . . . . 56 Stephen B. Mende, Davis D. Sentman y Eugene M. Wescott
Los monzones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Peter J . Webster
Tornados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Robert Davies-Jones
Modelización del ciclo geoquímico del carbono . . . . . . 87
Robert A. Berner y Antonio C. Lasaga
Una atmósfera cambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Thomas E. Graedel y Paul J. Crutzen
El monóxido de carbono y la Tierra en llamas. . . . . . 106
Reginald E. Newell, Henry G. Reichle, Jr., y Wolfgang Seiler
Notas Rayos bola. Solución del enigma. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Antonio F. Rañada
Medición de la electricidad de las gotas de lluvia . . . . 54 Shawn Carlson
Medición del viento con metal caliente . . . . . . . . . . . . 72 Shawn Carlson
La atmósfera y las ondas de radio . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Lloverá en algunos sitios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Philip Newton
La atmósfera Andrew P. Ingersoll Su dinamismo redistribuye la energía de la radiación solar recibida por la Tierra. Los modelos de esta actividad ayudan a explicar los climas del pasado y a predecir los del futuro
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a atmósfera es el fluido que fera; la producción de oxígeno por este la presión de vapor saturante del aire mantiene en funcionamiento la método se contrarresta por su incorpo- a las distintas temperaturas. máquina térmica terrestre. La ración a las rocas sedimentarias que Las cantidades de los restantes mayor parte de la energía radiante están a la intemperie. La mayor parte componentes del aire son tan pequeque llega procedente del Sol se con- del argón atmosférico es el isótopo ñas que sus concentraciones no suelen vierte en energía térmica atmosférica argón 40, producido por la desinte- indicarse en porcentajes, sino en parantes de ser devuelta al espacio en gración radiactiva del potasio 40 en el tes por millón. Predomina el dióxido forma de radiación infrarroja. Los manto y la corteza y lanzado a la de carbono (CO2), que representa hoy vientos la redistribuyen y, al hacerlo, atmósfera por los volcanes. El argón, unas 340 partes por millón de aire la disipan en mayor proporción que uno de los gases nobles, es geoquími- seco. El depósito atmosférico de la acción conjunta de las corrientes camente inerte; una vez alcanza la dióxido de carbono es muy inferior al oceánicas, las mareas, la deriva con- atmósfera, allí permanece. depósito oceánico de iones bicarbonato tinental y la convección del manto La constancia de la composición del (HCO– 3) y carbonato (CO = 3 ) y al terrestre. Las fluctuaciones del sis- aire seco que cubre el globo terrestre localizado en las rocas de piedra caliza, tema atmosférico a corto plazo (el es notable; no así la cantidad de vapor formadas en gran parte por carbonato tiempo) y las del tiempo promedio en de agua que contiene, cuyo volumen cálcico (CaCO3) de los caparazones de plazos más largos (el clima) desem- puede variar entre un cuatro por organismos marinos. Estas rocas peñan un papel importante en la his- ciento y unas cuantas décimas por albergan, por sí solas, unas 20 atmóstoria terrestre. ciento. Si la atmósfera no constituye feras de dióxido de carbono. Así pues, La composición actual de la atmós- el depósito principal de agua del pla- la cantidad de dióxido de carbono confera guarda poca relación con la que neta es porque el vapor se condensa a tenido en el aire, como la de vapor de tenían las nubes de gas y polvo de las las temperaturas habituales. El agua, viene regida por las velocidades que se formó. Los constituyentes del océano contiene unas 300 atmósferas de las reacciones de equilibrio que aire reflejan más bien una compleja de agua (esto es, agua suficiente para relacionan el depósito atmosférico con historia de reacciones entre los elemen- equivaler a 300 veces la masa de todos los superficiales. tos volátiles y el polvo de la primitiva los componentes de la atmósfera), l dióxido de carbono le siguen en nebulosa solar, el magma expulsado mientras que las arcillas y otros minedel manto terrestre, las rocas de la rales hidratados albergan una canabundancia el neón (18 partes corteza, los océanos y la biosfera. tidad algo inferior. La cantidad de por millón ) y el helio (cinco partes por Los tres componentes más impor- vapor de agua contenida en una masa millón). La mayor parte del helio se tantes del aire seco son el nitrógeno dada de aire viene determinada, pues, produce por la desintegración de ele(N2), el oxígeno (O2) y el argón (Ar), que por la historia de su contacto con los mentos radiactivos en la parte sólida dan cuenta del 79, del 20 y del 1 por depósitos de agua superficiales y por de la Tierra. El neón, en cambio, es ciento de las moléculas, respectivamente. El nitrógeno es geoquímicamente inerte a todos los efectos prác- 1. NUBE DE POLVO ARROJADA A LA ESTRATOSFERA por la erupción del volcán ticos, por lo que se ha ido acumulando El Chichón (México), el 4 de abril de 1982, cartografiada por el Solar Mesosphere en la atmósfera. El oxígeno, por el con- Explorer , satélite de órbita polar. La sucesión de imágenes generadas por ordenador trario, experimenta ciclos químicos no de la página opuesta ofrece la extensión de la nube a intervalos de aproximadamensólo en ella, sino también en el océano, te un mes, comenzando el 2 de abril, tras la erupción. El color de las imágenes corresponde a la cantidad de emisión infrarroja por parte de la nube, variando de la biosfera y las rocas sedimentarias. azul a verde, a rojo y a amarillo según la radiancia creciente. La nube alcanzó su La cantidad de oxígeno que hay en la máxima densidad en junio (tercera imagen). Después se extendió lentamente hacia atmósfera viene determinada por la el sur y comenzó a dispersarse. Al parecer, el tipo de circulación estratosférica velocidad de las reacciones que ligan impidió que el polvo trascendiese el paralelo 30 grados de latitud norte. Las parel depósito atmosférico de oxígeno libre tículas de polvo son muy reflectoras y reducen la cantidad de radiación solar que con el depósito reductor de carbono que llega a la superficie terrestre. El efecto neto de la nube será disminuir la temperaexiste en las rocas sedimentarias. La tura media global (hasta en un grado Celsius). Las reducciones de temperatura asociadas a erupciones volcánicas parecen guardar una estrecha relación con el pequeña fracción de materia orgánica contenido de azufre de las emisiones volcánicas. Los datos del satélite Nimbus 7 sepultada en los sedimentos antes de indican que El Chichón inyectó cantidades desusadamente grandes de dióxido de que pueda degradarse corresponde a azufre en la estratosfera. Se espera que la erupción produzca un descenso de la una adición neta de oxígeno a la atmós- temperatura relativamente brusco.
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reacciones que lo producen y las que lo destruyen. Los átomos de oxígeno resultantes de la fotodisociación de oxígeno molecular (O2) causada por la radiación ultravioleta reaccionan con él y forman ozono. Son varia s las reacciones que lo destruyen. Aquellas en las que se consume “oxígeno impar” (tanto O como O3) y se crea oxígeno molecular conducen a un decrecimiento neto de la concentración de ozono. El ozono es el único gas atmosférico que absorbe las radiaciones ultravioletas cercanas (a longitudes de onda de 0,2 a 0,3 micrometros) y desempeña por tanto un papel decisivo de protección de la superficie terrestre frente a sus efectos destructores.
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2. BALANCE GLOBAL DE ENERGIA de la Tierra y la atmósfera, que determina la temperatura media global y la temperatura efectiva de radiación del planeta, es decir, la temperatura que un observador instalado en el espacio le atribuiría. En promedio, la superficie terrestre cede a la at mósfera una cantidad de energía igual a la que absorbe; el valor de la temperatura media global en superficie, cifrado en 13 grados Celsius, es el necesario para mantener la Tierra y la atmósfera en equili brio térmico. En promedio, la Tierra entera emite al espacio una cantidad de energía radiante igual a la cantidad de energía radiante absorbida por la atmósfera y la superficie terrestre; el valor de la temperatura efect iva de la Tierra, que es de unos –18 grados Celsius, es el necesario para mantenerla en equilibrio térmico con el espacio. La temperatura superficial es mayor que la temperatura efectiva; en buena parte ello se debe a que la radiación incidente se absorbe a alturas menores que aquellas otras desde donde se emite la radiación al espacio: la atmósfera deja pasar bastante bien la radiación de longitudes de onda visibles, en donde está el máximo del espectro de emisión solar, pero se muestra un tanto opaca a las radiaciones infrarrojas, en las que se concentra la emisión radiante de la Tierra. (Esta emite unas 114 unidades de radiación infrarroja; se conoce por emisión infrarroja neta la diferencia que existe entre este valor y las 93 unidades absorbidas por la atmósfera y vueltas a emitir hacia la superficie terrestre.)
primitivo. Las cantidades atmosféricas de neón y de otros gases raros (criptón, xenón y los isótopos de argón no radiogénicos) coincidirán, probablemente, con los volúmenes que de ellos se incorporaron a la Tierra en el momento de su formación. Una vez situados en la atmósfera, allí han permanecido, al ser geoquímicamente
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inertes y no condensarse a las temperaturas terrestres. El gas restante, con una abundancia superior a dos partes por millón, es el ozono (O3). Su cantidad varía con la altura, alcanzando un máximo de 12 partes por millón a 30 kilómetros. Su concentración atmosférica está determinada por el saldo entre las
a composición de la atmósfera y la distancia entre la Tierra y el Sol determinan el balance energético terrestre, que, a su vez, determina desde la temperatura superficial hasta la configuración de la circulación atmosférica. Es esta circulación la que redistribuye la energía solar sobre la superficie terrestre. La irradiancia solar (la cantidad de energía transportada por el haz de luz solar que atraviesa perpendicularmente una unidad de superficie en una unidad de tiempo) en el borde exterior de la atmósfera terrestre, cuando la Tierra está a la distancia media del Sol en su órbita, es de 1367 watt por metro cuadrado. Se sospechó durante mucho tiempo que esta “constante solar”, según se acostumbra llamarla, era en realidad variable, como terminó comprobándose al poder medirla. Instrumentos sensibles transportados en los vehículos espaciales Nimbu s 7 y Solar Maximum Mission (“Misión del máximo solar”) demostraron que un grupo grande de manchas solares produce un descenso de 0,1 por ciento en la radiación solar recibida. Bien podría suceder que las medidas tomadas durante largos períodos de tiempo revelaran variaciones superiores a ésta. Se estima que una variación de un uno por ciento de la constante solar que se mantu viera durante unos diez años elevaría la temperatura media en la superficie terrestre en uno o dos grados Celsius. La Tierra no absorbe toda la radiación que le llega, pues la atmósfera y la superficie terrestre devuelven al espacio como un treinta por ciento de ella. Los principales reflectores son las nubes, el polvo atmosférico, las moléculas de los gases atmosféricos, la nieve y la tierra pelada. El porcentaje reflejado (llamado albedo del pla-
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neta) podría variar substancialmente si cambiase el clima, si las erupciones volcánicas inyectasen más polvo en la atmósfera o si se deforestase más terreno. Su disminución conduciría a un calentamiento neto de la Tierra, puesto que la radiación solar que no se refleja se absorbe. Lo contrario sucedería si aumentase. La Tierra se desprende de la radiación solar absorbida emitiendo radiación infrarroja o térmica. Dados la constante solar y el albedo actuales, la irradiancia media sobre todo el globo debe ser de unos 240 watt por metro cuadrado, si se mantiene en equilibrio térmico. La temperatura
del nivel radiante medio se estima, de un modo aproximado, a partir de la ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la radiancia emitida por un cuerpo negro (radiador ideal) es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura en grados Kelvin. Ese número (240 watt por metro cuadrado) es la potencia radiante por unidad de superficie emitida por un cuerpo negro a 255 grados Kelvin (–18 grados Celsius). Tal es la temperatura media de la atmósfera a una altura de cinco kilómetros. Un cuerpo negro calentado a 255 grados Kelvin emite radiación en un amplio dominio de longitudes de onda,
3. GRADIENTES DE TEMPERATURA entre el ecuador y los polos y entre los continentes y los océanos, que impulsan los movimientos de la atmósfera en gran escala. Los mapas de la temperatura media superficial en enero (arriba) y mayo (aba jo) de 1979 ilustran los gradientes, junto con sus cambios según la estación. Por ejemplo, la formación de regiones calientes en el norte de la India en mayo anuncia los vientos del suroeste que soplan desde el mar Arábigo, más fresco, a través de una gran parte de la península indostánica en la estación del monzón, de junio a octubre. El aumento de la temperatura de la superficie del mar entre el invierno y el verano es mucho menor que el de la superficie continental; fenómeno que obedece, en buena parte, a que las olas distribuyen el calor a mayores
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con un máximo achatado a los 12 micrometros (en la región infrarroja del espectro). La superficie terrestre y la atmósfera se comportan cual si fueran cuerpos negros e irradian en esta banda. La mayoría de la radiación es absorbida por el vapor de agua, por las nubes, el dióxido de carbono, el polvo y el ozono, principalmente. Los componentes atmosféricos que absorben radiación infrarroja la reemiten en todas direcciones. Una parte vuelve a absorberla la superficie, sumándose a la energía térmica que ya posee, mientras que otra es reabsorbida por la atmósfera y el resto escapa al espacio.
profundidades en el mar. Estas imágenes se generaron a partir de datos recogidos por las unidades de sondeo infrarrojas y de microondas transportadas por los satélites meteorológicos de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. La temperatura superficial se dedujo con los datos del canal de microondas, mediante un método analítico que compara los datos de la sonda de microondas con los de la sonda de infrarrojo al objeto de distinguir entre las contribuciones a las radiancias medidas debidas a las nubes, la atmósfera y la superficie. El método lo elaboró Mustafá T. Chahine, con la idea de analizar datos atmosféricos obtenidos por misiones espaciales a otros planetas. Milton Halem y Joel Susskind lo aplicaron luego a datos de satélites situados en la atmósfera terrestre.
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Si aumenta la cantidad de un elemento que absorba radiaciones infrarrojas, como el dióxido de carbono, la superficie de la Tierra será más absorbente y aumentará su temperatura. La energía térmica almacenada aumentará también, puesto que disminuirá la proporción disipada al espacio, de modo que estos elementos contribuyen a su calentamiento. El papel que cumple la atmósfera en este proceso se ha venido llamando efecto de invernadero, aunque tal designación induzca a engaño. Los cristales del invernadero permiten el paso de la radiación solar e impiden que escape
la infrarroja, pero la mayor parte del calentamiento se debe a que el techo de vidrio impide que el calor se disipe por convección.
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a temperatura media global de la atmósfera en la superficie terrestre (cifrada hoy en torno a los 13 grados Celsius) es la necesaria para mantenerlas a ambas en equilibrio térmico. La superficie, calentada por la radiación solar y por la radiación infrarroja reemitida por la atmósfera, cede en promedio una cantidad equivalente de energía a la atmósfera por evaporación, por conducción, por convección y
4. MAPA DE NUBOSIDAD MEDIA en enero de 1979 ( arriba), generado por el grupo de construcción de imágenes del Laboratorio de Propulsión a Chorro a partir de datos recogidos por satélites meteorológicos. Nos proporciona una muestra de las configuraciones características de la circulación atmosférica y de las zonas climáticas que crean. En este sentido, el cinturón de nubes cerca del ecuador lo crea la convergencia de corrientes ascendentes de dos grandes células de circulación meridiana (en sentido norte-sur) llamadas células de Hadley. El aire caliente que asciende en esta zona, llamada Zona de Convergencia Intertropical (ITCZ), se enfría a medida que asciende. Como muestra el mapa de temperatura media en la cima de las nubes de enero de 1979 (abajo), las cimas de las nubes sobre la ITCZ están altas y, por consiguiente, frías. Los bosques lluvio-
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por emisión infrarroja. Los desequilibrios locales existentes entre las cantidades de energía absorbida y liberada por la superficie ayudan a crear gradientes verticales y horizontales de temperatura en la atmósfera. La Tierra absorbe más radiación solar en las latitudes bajas que en las altas. Más de la mitad es absorbida por la superficie terrestre, mientras que el resto lo es por la atmósfera. Por tanto, a bajas latitudes y alturas, la atmósfera recibe más energía de la superficie terrestre y del Sol que la que se encuentra a grandes alturas y en latitudes altas, aparte de que des-
sos tropicales y las regiones oceánicas de precipitación abundante se sitúan en esta zona. Las bandas relativamente libres de nubes por encima y por debajo de la ITCZ son regiones sobre las que desciende el aire todavía caliente, pero ya seco, de las células de Hadley. Los grandes desiertos del globo se encuentran aquí. El tipo de circulación a gran escala de las latitudes más altas está regido por el crecimiento de ondas en la sinuosa corriente en chorro a gran altura, más visible, por tanto, que la configuración a bajas latitudes. La configuración ondulada del flujo zonal en latitudes medias queda insinuada en los mapas por ciertos rasgos: uno de ellos, la desviación de los cinturones nubosos (trayectorias de depresiones) hacia el sur a lo largo de la costa occidental de Norteamérica y hacia el norte a lo largo de la costa oriental.
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pide más energía hacia el espacio con- aprisionadas en las vaguadas y lomas darnos una idea de por qué resulta forme aumenta la altura. En virtud de son transportadas hacia el este por el difícil alargar el período de predicción tales desequilibrios, las temperaturas movimiento de las ondas en altura. útil. Este tipo de fenómenos, como de la atmósfera suelen decrecer desde Las ondas contribuyen así a determi- pudieran ser los vórtices turbulentos el ecuador hacia los polos y desde las nar el movimiento de las zonas de o las tormentas de carácter convecti vo, zonas bajas a las altas. Los gradientes altas y bajas presiones superficiales ponen en juego energías relati vamente de temperatura impulsan la circula- que rigen el tiempo de las regiones grandes, según revelaron Herbert ción atmosférica. Los vientos suelen situadas en las latitudes medias. Riehl y Joanne Starr Malkus en los transportar el calor gradiente abajo, años cincuenta. Por ejemplo, la mayor desde regiones bastante cálidas hacia ace como medio siglo que co- parte del movimiento vertical en los otras más frías. menzó a expresarse formalmente trópicos se produce en el seno de torLos gradientes de temperatura mediante ecuaciones matemáticas la mentas aisladas que cubren el 0,1 por varían con la latitud, al igual que las dinámica de los movimientos atmosfé- ciento de la superficie total. El calor configuraciones de la circulación ricos en gran escala (tal como los latente de vaporización liberado atmosférica en gran escala. Hasta 35 entendemos ahora). Entre sus pione- cuando el agua se condensa en las grados a uno y otro lado del ecuador, ros se encontraban Carl-Gustav nubes tormentosas constituye una los vientos en gran escala son Rossby, meteorólogo sueco en cuyo fuente notable de energía atmosférica. meridianos (de norte a sur en el hemis- honor las ondas largas de la corriente Las nubes reflejan además la radiaferio norte). Dos grandes células circu- en chorro se conocen hoy por ondas de ción solar y absorben la infrarroja, con lares conectan el aire caliente y húmedo Rossby, y Jule G. Charney, quien lo que alteran todavía más la distrique asciende sobre el ecuador con el durante muchos años trabajó en el bución de energía que indirectamente aire templado y seco que desciende a Instituto de Tecnología de Massa- rige el tiempo. Tomados en su conlatitudes más altas. El aire cálido que chusetts (MIT). Rossby y Charney junto, esos fenómenos locales tienen se eleva en lo que se conoce como Zona abrieron el camino hacia el desarrollo un efecto importante sobre las caracde Convergencia Inter tropical (ITCZ), de modelos tratables por ordenador de terísticas globales del tiempo, aunque una banda de diez grados de anchura la circulación atmosférica en gran tomados individualmente caigan por a uno y otro lado del ecuador, se enfría escala, deduciendo ecuaciones que fil- debajo del nivel de resolución de los al ascender, lo que da lugar a intensas traban el efecto de los movimientos en modelos teóricos de predicción del precipitaciones. La ITCZ coincide con pequeña escala. Los primitivos mode- tiempo. los bosques tropicales lluviosos y con los atmosféricos estuvieron aquejados No se trata de que estos modelos regiones de grandes precipitaciones de un rapidísimo aumento de los erro- desprecien los fenómenos a escala sobre el océano. El aire seco se dirige res, en parte porque no se había reali- reducida, sino que los abordan de forma hacia el polo a grandes alturas y des- zado tal discriminación. Los actuales inadecuada. Las ecuaciones que se ciende sobre las zonas subtropicales o modelos atmosféricos, tratados por aplican al seguimiento de los grandes regiones comprendidas entre los 10 y ordenadores muy veloces, proporcio- movimientos atmosféricos son deterlos 35 grados de latitud en cada hemis- nan la base de las predicciones diarias ministas: los valores instantáneos de ferio. Cuando llega por fin a la super- del tiempo, tanto regionales como loca- las variables en los nudos de la red ficie, está todavía seco: los grandes les. El período útil de predicción está determinan los que adoptarán en el desiertos del mundo se encuentran en comprendido entre algunos días y una siguiente paso de cálculo. Pero los proesas zonas. semana, límite que está resultando cesos a escala reducida se tratan Desde los 35 grados de latitud hacia difícil de superar. mediante subrutinas estadísticas de el polo predomina una circulación de Para preparar una predicción se los modelos, que especifican el efecto tipo zonal sobre la meridiana. El movi- empieza por resumir los valores de neto más probable de todos ellos en el miento del aire está gobernado por la diferentes variables atmosféricas, interior de un cubo según los valores corriente en chorro, ondulada y como la velocidad del viento y la pre- que tengan en sus vértices. Algunas situada a gran altura, que corre en sión, medidas en múltiples puntos veces los sucesos más probables no se términos generales hacia el este en dispersos, interpolándolos en los producen y estos errores estadísticos ambos hemisferios a velocidades de nudos de una red tridimensional ima- aceleran la divergencia entre el curso hasta 45 metros por segundo (160 kiló- ginaria que envuelve el globo terrá- del modelo y el de la atmósfera. metros por hora). Sobre la corriente queo. Se usa entonces el modelo mategeneral de oeste a este se superponen mático, que se basa en principios o es verosímil que este problema las ondas largas, u ondulaciones, que físicos sencillos (segunda ley del movidesaparezca cuando se afine el comienzan siendo pequeñas per- miento de Newton y ecuación de los nivel de resolución de los modelos turbaciones, amplificándose con el gases ideales), para determinar las atmosféricos. La resolución del tiempo. Las vaguadas o surcos de variaciones que experimentarán las modelo, que está determinada esenestas ondas son los lugares donde la condiciones de cada nudo de la red al cialmente por el tamaño de los cubos corriente en chorro está más próxima cabo de un corto intervalo de tiempo, de la red, queda limitada, en última al ecuador; las lomas, donde está más unos 10 minutos por ejemplo, durante instancia, por el número de operaciopróxima a los polos. A medida que las el cual se puede suponer constante la nes aritméticas necesarias para seguir ondas crecen, masas de aire fresco tasa de variación de las variables. Se la evolución de las variables de cada progresan hacia el ecuador detrás de sustituyen entonces los valores origi- nudo. El seguimiento de la evolución las vaguadas (al oeste), mientras que nales por los nuevos y se repite el de siete variables atmosféricas (temmasas de aire caliente se mueven proceso hasta completar el período peratura, presión, vapor de agua, hacia los polos delante de dichas abarcado por la predicción. cobertura nubosa y velocidad del vaguadas (es decir, al este), particiUno de los más importantes proble- viento a lo largo de tres ejes) en una pando así en el transporte de aire mas que se les plantean a los predic- malla constituida por cubos de 200 caliente hacia los polos y de aire frío tores, el relativo a los fenómenos kilómetros de arista y diez capas hacia el ecuador. Las masas de aire atmosféricos a escala reducida, puede superpuestas representa, en realidad,
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seguir la pista a un millón de variables. Sus interacciones con las variables próximas condicionan la forma en que cada variable cambia con el tiempo. Se necesitan unas quinientas operaciones aritméticas para calcular las interacciones que afectan a cada variable; lo que significa que, para cada paso de cálculo de diez minutos, hay que realizar un total de unos 500 millones de operaciones. Si se multiplicara por diez la resolución de la red tridimensional, el número de variables se multiplicaría por mil y el número de pasos de cálculo por hora habría de experimentar un aumento comparable. El número de operaciones aritméticas, por tanto, se multiplicaría por 10.000 y, aun así, tal
modelo seguiría sin tener en cuenta los fenómenos atmosféricos de tamaño inferior a 20 kilómetros. Este problema y otros parecidos que limitan el período útil de los pronósticos se abordan a través de grandes programas de investigación. Los experimentos que lleva a cabo el Programa Global de Investigación Atmosférica ( Global Atmospheric Research Program, GARP), auspiciado por la Organización Meteorológica Mundial y el Consejo Internacional de Uniones Científicas a principios del decenio de 1960, tienen por objetivo prioritario aportar datos sobre los fenómenos atmosféricos que permitan elaborar mejores modelos de predicción. El Experimento Meteorológico Global
del GARP , realizado en 1979, constó, por ejemplo, de dos períodos de dos semanas cada uno, durante los cuales se realizaron observaciones intensi vas y se midieron las variables atmosféricas mediante globos, satélites, aviones, buques y boyas. También se midieron ciertas variables relativas al mar, a la tierra, al hielo, a los suelos cultivables y a la vegetación, que podían influir en el tiempo. Se trataba de averiguar hasta qué punto los pronósticos relativos a una parte del globo, como pudiera ser Norteamérica, se veían afectados por las condiciones iniciales imperantes en otras, verbigracia las del Pacífico sur, generalmente mal conocidas. Se pretendía determinar también si la utilización de nuevos datos para la predicción, como pudiera ser la cantidad de agua contenida en el suelo, mejorarían su exactitud. Un tercer objetivo era suministrar datos más detallados sobre los molestos fenómenos a escala reducida.
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5. CON EL MODELO GLOBAL ATMOSFERICO desarrollado por el Centro Europeo de Predicción del Tiempo a Plazo Medio, organización financiada por diecisiete países europeos, se produjeron los datos que sirvieron para crear esta imagen de la cobertura nubosa global predicha. Las mediciones de variables atmosféricas tales como temperatura, presión, velocidad del vient o y cantidad de vapor de agua, realizadas en muchos puntos dispersos alrededor del globo, se resumen a través de los valores medios que existirían en las intersecciones o nudos de una red tridimensional que lo envolviera. El modelo calcula las condiciones futuras a partir de las iniciales mediante ecuaciones que en el fondo se basan en principios físicos sencillos: segunda ley de Newton, ecuaciones termodinámicas y ecuación de los gases ideales. La resolución de la imagen sugiere el límite de resolución de los modelos de predicción global impuesto por el enorme número de cálculos necesario para seguir la evolución de las variables en los nudos de la red. El propio ordenador Cray-1 del centro de predicción debe realizar 500.000 millones de operaciones arit méticas para pronosticar el comportamiento de la atmósfera diez días después.
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ntre los programas de investigación estadounidenses dirigidos a mejorar los modelos globales de predicción cabe citar los del Centro Nacional de investigación Atmosférica de Boulder, Colorado, los del Centro de Vuelos Espaciales Goddard, de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), y los del Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos de la Universidad de Princeton. Uno de los problemas que abordan los investigadores de esas instituciones es el de determinar cuál de las muchas posibles fuentes de error es la verdadera responsable de los pronósticos equivocados. ¿Acaso es la inexactitud de las observaciones iniciales, las limitaciones de los modelos o la imprevisibilidad de la propia atmósfera lo que establece el límite superior del período de predicción útil? No hay respuesta sencilla a tal cuestión. Pero una prueba aplicada por Edward N. Lorenz, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien fue uno de los primeros en hacer estimas de esta clase, indica lo que puede hacerse para identificar las fuentes de los errores. Si se llevan a cabo los cálculos a partir de dos con juntos de condicio nes iniciale s del tiempo que difieran entre sí en una cantidad inferior a la incertidumbre estimada de las observaciones, la velocidad a la que diverjan las condiciones calculadas ofrece una medida de la inexactitud de las predicciones debida, principalmente, al error de observación. Los actuales modelos atmosféricos duplican en un plazo de dos o tres días
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las pequeñas diferencias en las condiciones iniciales. Admitiendo que los errores de observación estén distribuidos uniformemente sobre la Tierra y que la evolución de los modelos sea idéntica a la del tiempo, dicha velocidad de duplicación señala la posibilidad de predicciones para un plazo de una o dos semanas (esto es, varias veces el tiempo de duplicació n), al menos en teoría. ¿Cómo mejorar los modelos de predicción? Ante la complejidad del sistema que el modelo trata de simular, quizá no sea lo mejor empecinarse en cálculos más exhaustivos, sino insistir en aquellos que distingan con más precisión entre los fenómenos que tengan importancia real en la evolución del tiempo y los irrelevantes; ello equi vale a elaborar un método mejorado de identificación de configuraciones. Entre las configuraciones que persisten bastantes días, llamadas fenómenos de bloqueo, podrían incluirse las ondas en la corriente de chorro, las trayectorias que habitualmente siguen las depresiones y las zonas de sequía persistente.
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as condiciones reinantes en las capas altas de los océanos vienen en auxilio también de la predicción a largo plazo. Las anomalías en las temperaturas de la superficie del mar y en la pendiente de ésta causada por los vientos dominantes pueden persistir durante meses o años. Las anomalías de la temperatura superficial podrían emplearse para calibrar la cantidad de energía que se suministrará a la atmósfera en forma de calor latente de vaporización. De una forma más general, tales anomalías puede que inicien cadenas de sucesos que se desarrollen según un patrón previsible; valgan de ejemplo los bruscos cambios en las corrientes oceánicas y las concomitantes variaciones del tiempo que se producen cerca de la costa del Perú, los famosos episodios de “El Niño”. Aunque el estado del tiempo varíe mucho, las grandes desviaciones con respecto a los valores normales de temperatura y precipitación suelen verse seguidas por un retorno a ellos. En otras palabras, el tiempo medio a largo plazo, el llamado “clima”, parece relativamente invariable. Los datos geológicos indican, no obstante, que el clima de la Tierra ha cambiado radicalmente a escalas de miles y de millones de años. Tal vez el ejemplo más espectacular de tales cambios sea el de los recientes períodos glaciales. Extensas regiones de la Tierra parecen haber estado libres de hielos durante la mayor parte
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6. PREDICCION DE ALTA RESOLUCION, para un día, de la cobertura nubosa producida por una versión para un área limitada del modelo atmosférico del Centro Europeo de Predicción del Tiempo a Plazo Medio (arriba), comparada con una imagen de la cobertura nubosa hecha por el satélite Meteosat al día siguiente (aba jo). La red usada para las predicciones de área limitada está constituida por cubos de 50 kilómetros cuadrados (menos de 0,5 grados de latitud o longitud) y se extiende a 15 niveles. El sistema que se acerca a Europa desde el Atlántico es un frente frío; avanza obligando a elevarse al aire cálido.
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de su historia. Sin embargo, desde masas continentales del hemisferio hace algunos millones de años, e mpe- norte. (Los glaciares del hemisferio sur zaron a experimentarse glaciaciones crecieron al mismo tiempo, pero reprecíclicas. Durante períodos de entre sentan una fracción mucho menor del 20.000 y 100.000 años comenzaron a volumen total, porque no hay grandes formarse capas de hielo sobre las extensiones de tierra entre las latitu-
7. TEORIA DE MILANKOVITCH sobre los ciclos climáticos de los períodos glaciales recientes. Sostiene que el mecanismo impulsor es la variación de la cantidad de insolación (radiación solar incidente) en el período estival del hemisferio norte, causada por la variación de tres parámetros de la órbita terrestre alrededor del Sol. Los dos parámetros que determinan el período de las fluctuaciones en la insolación del hemisferio norte son la inclinación del eje, o ángulo entre el eje y el plano de la eclíptica (que determina la cuantía en que el polo norte apunta hacia el Sol en el verano del hemisferio norte), y la dirección del eje terrestre (que determin a si el perihelio, época del año en que la Tierra se halla más próxima al Sol, tiene lugar en el verano del hemisferio norte o en el verano del hemisferio sur). La cantidad de energía incident e (a) fluctúa con esos parámetros, que tienen períodos de 40.000 y 20.000 años. La relación del isótopo pesado del oxígeno, el oxígeno 18, a su isótopo más ligero, oxígeno 16, en los sedimentos oceánicos suministra una medida del volumen global de los hielos. Conforme el aire saturado avanza hacia el polo, las molécul as de agua que incorporan el isótopo más pesado se eliminan, preferentemente por precipitación; la nieve que cae a altas latitudes tiene, pues, más oxígeno 16. Los océanos aumentan su contenido de oxígeno 18 en los períodos fríos, cuando la nieve se acumula sobre los continentes. La relación de isótopos en dos muestras representativas de las profundidades oceánicas, una del océano Indico meridional (c) y la otra del Pacífico (d), medidas por John Imbrie y su hijo John Z. Imbrie fluctúa efectivamente con períodos de 40.000 y 20.000 años, pero quedaría mejor descrita por una curva en diente de sierra con un período de 100.000 años aproximadamente. Un modelo climático elaborado por los Imbrie (b), que incorpora un intervalo largo de acumulación del hielo en respuesta a la disminución de la insolación y otro mucho más corto para que se funda por el aumento de la insolación, sugiere cómo podrían traducirse las variaciones de la radiación solar incidente en otras de la cantidad total del hielo.
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des 40 y 70 grados sur sobre las que puedan formarse glaciares.) El hielo alcanzó espesores de tres kilómetros en el hemisferio norte; su peso hizo que la corteza subyacente se hundiera unos quinientos metros. Cuando el hielo adquirió suficiente espesor, la presión de su peso le obligó a fluir hacia fuera y hacia el sur, hasta cubrir vastas extensiones de Norteamérica y de Eurasia. El aprisionamiento del agua en el hielo provocó un descenso del nivel de los océanos de cien metros o más. La temperatura media de la Tierra en el máximo de uno de tales períodos era de dos o tres grados Celsius por debajo de la normal. De repente, el hielo se retrajo bruscamente. Aunque ignoramos cuánto durase la fase de retirada, la geología habla de unos cuantos miles de años, no más. ¿Cuál fue la causa de este cataclismo climático? La respuesta parece estribar en la reacción de la atmósfera ante mecanismos impulsores externos, como variaciones en la cantidad y la distribución de la radiación solar. Las variaciones externas son, por sí mismas, demasiado pequeñas para dar cuenta de grandes cambios en el clima; importa más, seguramente, el modo como esas variaciones resultan incrementadas o amortiguadas por la atmósfera, el océano y el hielo. Entre los primeros que intentaron valorar los efectos que podrían aumentar o disminuir la sensibilidad del clima a los factores externos recordemos a Mikhail I. Budyko y a William D. Sellers. En el decenio de 1960 publicaron, cada uno por su cuenta, modelos climáticos que recogían los efectos de realimentación que regían los cambios climáticos desencadenados por variaciones de la constante solar. Por ejemplo, si las temperaturas polares bajasen, produciríase una acumulación de nieve y de hielo en latitudes medias y altas. El albedo de la nieve es mayor que el de la tierra o el del agua, de modo que a esas latitudes se absorbería menos radiación solar, produciéndose así una ulterior reducción de la temperatura.
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a formulación de modelos de variabilidad del clima sigue siendo problemática. Por un lado, es difícil valorar la importancia relativa de las realimentaciones positivas y negati vas. Así, por ejemplo, la realimentación hielo-albedo y otros factores que acentúan la disminución de temperatura a altas latitudes podrían compensarse con circulaciones atmosféricas y oceánicas impulsadas por el mayor gradiente de temperatura entre el
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ecuador y el polo. Los modelos climá- o del hemisferio sur. La e xcentricidad las radicales pérdidas registradas por ticos han de remontar muchos de los de la órbita afecta a la cantidad de los isótopos con períodos de 100.000 interrogantes que se planteaban los radiación solar recibida en el perihe- años. Para obtener una respuesta modelos de predicción del tiempo, difi- lio, estableciendo así la amplitud del más realista, Pollard introdujo un cultades que acentúa la penuria de ciclo de influjo de 20.000 años. La mecanismo de pérdida rápida en el datos sobre las condiciones reinantes excentricidad de la órbita apenas si modelo: el desprendimiento de témen las épocas glaciales. También tie- influye en la insolación estival; hay, panos que quedan libres en el océano nen que tomar en consideración la pues, escaso influjo sobre el clima con provoca que la capa de hielo se torne interacción entre la atmósfera y el período de 100.000 años. inestable cuando alcanza cierto océano y las capas de hielo, interaccioLa prueba más clara que corrobora tamaño crítico. nes que pueden omitirse, con relativa la acción orbital sobre los ciclos glaLa corteza terrestre no responde impunidad, en los modelos de predic- ciales la hallamos en la relación de los inmediatamente al peso de los glaciación del tiempo a plazo corto. Por si dos isótopos del oxígeno, el oxígeno 18 res, pero durante las largas épocas de fuera poco, queda mucho por conocer y el oxígeno 16, en los sedimentos oceá- glaciación el peso del hielo la hundió sobre la dinámica de las profundida- nicos. A medida que una masa de aire hasta situarla por debajo del nivel del des oceánicas y de las cortezas de hielo se mueve alejándose del ecuador las mar, aunque los hielos siguieran continentales. moléculas de agua que incorporan oxí- sobresaliendo mucho. En estas condiPese a esas limitaciones, vale la geno 18 se eliminan, preferentemente ciones el hielo resulta particularmente pena comparar los modelos con el por precipitación. La nieve que cae a vulnerable a leves variaciones en la registro geológico de cambios climáti- altas latitudes contiene una propor- radiación solar incidente, tales como cos. Los modelos de las recientes eda- ción mayor del isótopo más ligero. Por las que podrían producirse por la des del hielo que más éxito han cose- tanto, cuando la nieve se acumula acción orbital. Si su espesor se reduchado se fundan en la teoría del influjo sobre la tierra, los océanos se enrique- jese consecuentemente, la corteza no de los factores astronómicos sobre el cen ligeramente en oxígeno 18. Las recuperaría en seguida su forma, de clima. Esta teoría se ocupa de las variaciones en la relación entre los modo que una gran parte del hielo variaciones de la cantidad de energía isótopos del oxígeno en los sedimentos quedaría sumergida en la zona cossolar recibida por la Tierra, asociadas marinos a gran profundidad reflejan tera. Como el hielo es más ligero que con tres parámetros de la órbita así las variaciones en el volumen glo- el agua, flotaría si ésta penetrase en terrestre alrededor del Sol que varían bal del hielo. Uno de los primeros en la depresión de la corteza. Habría que cíclicamente. El primero es la inclina- reconocer la importancia de la rela- esperar una rápida disminución del ción del eje terrestre (ángulo entre el ción de isótopos en los sedimentos hielo en estas condiciones, debido al eje y el plano de la órbita), que tiene como indicación de antiguos cambios desprendimiento de témpanos por sus un período de unos 40.000 años. El climáticos fue Cesare Emiliani. Los bordes. La capa adelgazaría todavía segundo es la dirección a la que apunta resultados de análisis sistemáticos de más por el flujo hacia fuera de las el eje terrestre, con un período de unos isótopos del oxígeno fueron publicados partes centrales más espesas, para 20.000 años. Y el tercero es la excen- en 1976 por J. D. Hays, John Imbrie restablecer un nuevo equilibrio. Las tricidad de la órbita terrestre (o su y Nicholas J. Shackleton. grandes pérdidas y el retroceso de los discrepancia con respecto a una cirhielos continuarían hasta que los borcunferencia), cuyo período dura unos l registro isotópico de los últimos des descansasen sobre tierra firme. 100.000 años. La influencia orbital se 500.000 años muestra grandes ay indicios de que determinadas puede calcular para millones de años, oscilaciones en el volumen global de tanto hacia el pasado como hacia el hielo con períodos de 40.000 y de zonas de la corteza de las que los futuro. 20.000 años. El rasgo dominante es, glaciares no se retiraron hasta hace La teoría astronómica se conoce sin embargo, un aumento continuo del unos 10.000 años, como algunas de también por teoría de Milankovitch, volumen de hielo durante unos 100.000 Escandinavia y Canadá, están recupeen honor de Milutin Milankovitch, años, seguido de un brusco descenso. rándose todavía. Este tiempo de rescientífico yugoslavo que realizó tales Los modelos climáticos en los que el puesta de la corteza se situaría en el cálculos en los decenios de 1920 y hielo responde de una manera pasiva mismo nivel de magnitud que el 1930. Según Milankovitch, el factor a la acción orbital no concuerdan con supuesto en el modelo. Pero sigue clave del clima terrestre no es la can- el registro isotópico; el volumen de siendo cuestionable que la causa de la tidad total de radiación solar recibida hielo predicho por ellos oscila con retracción del hielo en las épocas interpor el globo en el curso del año , que en períodos de 40.000 y de 20.000 años glaciales fuese la inestabilidad producualquier caso sólo experimenta lige- en respuesta directa a tal acción. cida por la depresión de la corteza. ras variaciones con los cambios de los Debe, pues, introducirse algún otro ¿Qué sabemos del clima que reinaba parámetros orbitales, sino la cantidad factor para explicar tanto el ciclo de antes de las edades del hielo? Los de radiación solar recibida a altas lati- 100.000 años como la brusca recupe- modelos climáticos ideados por tudes en el hemisferio norte durante ración subsiguiente a la glaciación. Budyko y Sellers predicen la converel verano. El ángulo de inclinación, David Pollard publicó algunos sión de la Tierra en un planeta brique determina hasta qué punto está modelos que pueden ilustrar el pro- llante y cubierto de hielos en cuanto el polo norte apuntando hacia el Sol blema y aportar una posible solución. la emisión solar se redujera en un durante el verano del hemisferio En su opinión, el clima actual de la pequeño tanto por ciento. Los efectos norte, es el factor de más influencia Tierra es tal que su estado “normal” de realimentación que incorporan los sobre la cantidad de radiación solar se halla ligado a la cantidad de hielos. modelos no sólo aumentan la sensibirecibida en el verano. La dirección en Tiene que haber capas de hielo exten- lidad del planeta a la disminución de que apunta el eje determina si el peri- sas y permanentes. En su modelo la radiación solar, sino que también le helio, o época del año en que la Tierra “pasivo”, el volumen total de hielo hacen más insensible a posteriores está más próxima al Sol, tiene lugar fluctúa ligeramente con períodos de aumentos, una vez producido el enfriadurante el verano del hemisferio norte 20.000 y de 40.000 años, pero no suf re miento. Dicho de otro modo, si la cons-
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tante solar se redujese, la Tierra se convertiría irreversiblemente en un mundo frígido. ¿Ha ocurrido algo semejante?
les. Fundados en la relación de isóto- latitudes más cálidas que las actuales. pos en una muestra de 3500 años de El hecho de que durante algunos antigüedad, dedujeron que la tempe- períodos geológicos, como el ratura del océano donde se formó la Carbonífero, transcurrido entre 345 y roca era superior a 50 grados Celsius. 280 millones de años atrás, se deposios astrónomos saben del pasado Las diferentes relaciones de isótopos taran vetas carboníferas por todo el del Sol merced a que pueden que presentan rocas similares más mundo constituye, sin embargo, un observar estrellas mucho más jóve- recientes hacen pensar que las tempe- testimonio menos ambiguo. nes, dotadas de su misma masa y com- raturas sufrieron una disminución posición. Y así afirman que la emitan- progresiva. Gracias a las relaciones de o hay explicación universalmente cia solar era un cuarenta por ciento isótopos de oxígeno que ofrecen los aceptada para el hecho de que las más baja al poco de formarse la Tierra, sedimentos formados por las conchas temperaturas del pasado fuesen supehace 4600 millones de años, de lo que de carbonato cálcico de los foraminí- riores. Las causas más probables son es ahora, para aumentar luego sin feros bénticos (pequeños animales de la deriva de los continentes y los camsolución de continuidad. Los modelos las grandes profundidades oceánicas) bios de la composición atmosférica. teóricos de la estructura interna y de se estimó la temperatura del fondo Las variaciones en la distribución de la composición del Sol apoyan esta oceánico en unos 15 grados Celsius los continentes pudieron influir de conclusión. durante el período comprendido entre forma destacada en el clima, pues Los geólogos no han podido compi- hace 150 millones de años y hace 50 modificarían la configuración de las lar más que datos fragmentarios de millones de años. Las temperaturas circulaciones atmosférica y oceánica. los climas del pasado remoto, pero la actuales del suelo oceánico se aproxi- Hace 100 millones de años, por ejemtendencia general de los indicios exis- man a los cero grados Celsius. plo, el océano Artico formaba parte del tentes es claramente opuesta a la evoLos fósiles de los últimos 600 millo- Pacífico. Los vientos y las corrientes lución de la constante solar y a los nes de años parecen apoyar también oceánicas que se produjeran podrían modelos de la respuesta de la Tierra la tesis de que la Tierra fuese, a gran- haber mantenido el Artico libre de a las acciones exteriores. Samuel Eps- des rasgos, más cálida de lo que es hielos. Al cerrarse el estrecho de tein y sus colegas del Instituto de actualmente. Los filones carboníferos Bering, la congelación del océano Tecnología de California dedujeron de Groenlandia y de la Antártida indi- Artico pudo desencadenar la presente temperaturas a partir de las relacio- can que hubo algún tiempo en que allí fase de climas terrestres más bien nes de isótopos del oxígeno y de rela- prosperaron las plantas tropicales. La fríos. ciones comparables del hidrógeno 2 deriva de los continentes complica el Otra posibilidad es que la atmósfera (deuterio) al hidrógeno 1 (hidrógeno valor que deba darse a tal prueba, albergara mucho más dióxido de carordinario) en las rocas sedimentarias pues determinadas masas continenta- bono del que contiene ahora. El dióxido silíceas cristalinas llamadas pederna- les pudieran haber estado situadas en de carbono es el único gas que pudo haber desempeñado verosímilmente este papel, si tenemos en cuenta las grandes cantidades que almacenan los depósitos superficiales, de donde, en teoría, pudiera haberse escapado a la atmósfera. Si la atmósfera hubiese contenido entre cien y mil veces más dióxido de carbono que ahora, la reemisión de radiación infrarroja a él debida, junto con la correspondiente a la mayor cantidad de vapor de agua en una atmósfera más caliente, habría mantenido la temperatura superficial entre 20 y 30 grados Celsius por encima de la actual. Ahora bien, puesto que el dióxido de carbono de la atmósfera actual está en equilibrio con los compuestos de carbono disueltos en el océano y con los almacenados en los sedimentos oceánicos, esta hipótesis implica la existencia de importantes diferencias entre la composición oceánica de hace 100 millones de años y la presente. No se dispone de datos sobre las composiciones atmosférica y oceánica en el pasado remoto que permitan decidir al respecto. 8. SE CARACTERIZABA EL CLIMA DEL PASADO REMOTO por temperaturas meLos mecanismos impulsores descridias globales más elevadas que las que se registran hoy. De un paleotermómetro se tos hasta ahora varían lentamente y toma la relación de oxígeno 18 a oxígeno 16 en los sedimentos formados por conchas provocan respuestas de igual lentitud. de los animales marinos microscópicos llamados foraminíferos. Medidas de este tipo No obstante, va quedando claro que hechas por Samuel M. Savin muestran la tendencia hacia el enfriamiento a altas no todos los cambios climáticos son latitudes durante las postrimerías del Cretácico y el Cenozoico. La temperatura del fondo del océano, que actualmente es de cero grados Celsius, se cifraba en unos 12 graduales. Cuando un gran meteorito grados al final del Cretácico, siendo bastante más elevadas en períodos anteriores. choca con la Tierra o se produce una
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fuerte erupción volcánica, se inyectan en la atmósfera cantidades considerables de polvo y de gases condensables. Las partículas pesadas caen rápidamente, pero las más ligeras, elevadas a gran altura, permanecen allí años, afectando la absorción de radiación solar y la emisión de radiación infrarroja. Las consecuencias para la atmósfera, para el océano y la biosfera pueden ser importantes. El polvo inyectado en la atmósfera por el impacto de un gran cuerpo meteorítico pudo producir así una extinción generalizada de organismos al final del período Cretácico, hace 65 millones de años. Las tendencias al calentamiento y al enfriamiento globales observadas en épocas recientes pudieran estar relacionadas igualmente con períodos de actividad volcánica escasa o acrecentada.
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9. CONCENTRACION DE DIOXIDO DE CARBONO en la atmósfera en un punto cerca de la cima del Mauna Loa, en la isla de Hawai, medida continuamente desde 1958 por Charles D. Keeling. Se eligió este lugar por la escasa contaminación y la supuesta homogeneidad del aire en esta parte del globo. Superpuestas al continuo aumento del dióxido de carbono (curva negra) pueden verse fluctuaciones estacionales (en color ) debidas al almacenamiento de dióxido de carbono por las plantas del hemisferio norte en verano y a la oxidación de tejidos vegetales durante el invierno. Las fluctuaciones están dominadas por las plantas del hemisferio norte porque hay menos tierra en el hemisferio sur y menos variación estacional de la vida vegetal en el ecuador. El aumento de CO2 en el polo sur es comparable.
na prueba concreta del efecto producido por los aerosoles volcánicos sobre el clima la tenemos en el calentamiento global de unos 0,4 grados Celsius que ocurrió entre 1900 y 1940. No debe perderse de vista que tal variación tiene escasa importancia si se la compara con las fluctuaciones estadísticas de las temperaturas globales y con la falsa tendencia introdu- pues, la Tierra. James E. Hansen y de gotículas de ácido sulfúrico, las cida en las medidas por el crecimiento sus colegas usaron estos cálculos y cuales, por ser químicamente estaurbano en la vecindad de muchas otros relativos al aumento contempo- bles, tardan mucho en sedimentar. estaciones de observación. Owen B. ráneo de dióxido de carbono para Las predicciones del efecto final de la Toon y James B. Pollack señalaron someter a prueba su modelo climático. nube de polvo de El Chichón sobre el que el calentamiento pudo haberlo Y descubriero n que ambos factores clima son todavía provisionales, pero causado, en parte, la progresiva lim- pudieron haber producido realmente se espera que la nube produzca un pieza de la atmósfera tras un período el calentamiento global observado enfriamiento global en la superficie de de intensa actividad volcánica entre entre l900 y 1940. la Tierra de entre 0,3 y un grado 1880 y 1910. Podemos calcular la Las erupciones volcánicas recientes Celsius. variación de la masa global de polvo han recibido mayor atención por parte Ante semejantes dramas atmosfériatmosférico en función del tiempo, a de los investigadores. Se puede afinar cos, la especie humana, mero espectapartir de un catálogo de erupciones y más a fin de calcular en qué cuantía dor inicial, entrará muy pronto en el estimas del tamaño de cada erupción, influyen en el clima. Se sabe ya que el reparto. El primer efecto mensurable admitiendo un período de residencia volumen total de materia expulsada de la actividad del hombre sobre el en la estratosfera de unos dos años por un volcán no es una guía de entera clima será, probablemente, un calentapara las partículas (deducido de las confianza por lo que respecta a su miento global en virtud del incremento fechas en que se registraron puestas efecto climático; ha de considerarse del dióxido de carbono atmosférico. La de sol muy rojizas tras la erupción del también la fuerza de la erupción y la cantidad de dióxido de carbono arroKrakatoa en 1883 y de las velocidades composición de las partículas. La jada a la atmósfera y al océano ha ido de deposición de residuos radiactivos erupción del Monte Santa Helena, en aumentando desde la revolución indusprocedentes de pruebas nucleares en Washington, en mayo de 1980, fue trial como resultado de la combustión la atmósfera). mayor que la de El Chichón, en México, de carbón y petróleos y de la deforestaEstimado el volumen total de mate- en abril de 1982, pero lanzó menos ción (efectos todos que conducen a la ria que alberga la estratosfera y supo- aerosoles a la estratosfera. La mayo- oxidación del carbono y el desprendiniendo el tamaño medio de las partí- ría de las partículas del primero fue- miento de dióxido de carbono). El valor culas y su composición, deducidos en ron grandes y cayeron en cuestión de que dicha cantidad tuviera en épocas mediciones de aerosoles realizadas en semanas. Aunque la erupción de El preindustriales no se conoce exactala estratosfera, podemos inferir el Chichón expulsó menos materia, fue mente, pero se ha estimado entre 250 aumento de la cantidad de radiación mayor la proporción que alcanzó la y 300 partes por millón. Charles D. solar reflejada hacia el espacio. De estratosfera, donde se quedó. Keeling ha venido midiéndola en acuerdo con esos cálculos, el efecto de Por lo que parece, El Chichón emitió Mauna Loa, en las islas Hawai, desde las partículas sobre la radiación solar más azufre que el Monte Santa Helena. 1958. La cantidad de dióxido de carbono incidente es mayor que su efecto sobre El azufre forma dióxido de azufre, que atmosférico mostró una tendencia la radiación infrarroja emergente. Los reacciona con el vapor de agua de la ascendente entre 1958 y 1980, desde aerosoles estratosféricos enfrían, estratosfera produciendo una bruma 315 hasta 336 partes por millón.
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Este aumento corresponde, aproximadamente, a la mitad del desprendido; el océano absorbe gran parte del exceso. Pero resulta casi imposible medir la absorción de dióxido de carbono por el océano, pues en él no se distribuye con la misma uniformidad que en la atmósfera; por tanto, las medidas realizadas en un punto, así las de Keeling, carecerían de especial interés por precisas que fueran. La cantidad de dióxido de carbono (en todas sus formas: gas disuelto, ion bicarbonato, ion carbonato y carbono orgánico) que pasa al depósito oceánico es mucho mayor que la almacenada en el atmosférico, de modo que es probable que las variaciones sean menores
y de más difícil detección. Por último, el océano reacciona con sedimentos de carbonatos, pensemos en las rocas calizas, que, al menos a largo plazo, actúan como un sumidero todavía mayor de dióxido de carbono.
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allace S. Broecker y otros investigadores han trabajado con modelos de la química y la circulación atmosférica para estimar el aumento del dióxido de carbono oceánico a partir del aumento conocido en la atmósfera. La velocidad de absorción por parte del océano depende de la velo cidad de mezcla oceánica, sea en la capa superficial, sea en la columna restante de agua. El modelo de Broecker
10. NIVELES DE DIOXIDO DE CARBONO Y DE AEROSOLES VOLCANICOS: pueden ser responsables de la ligera tendencia al aumento de la temperatura global desde 1880 (en color ). Este período se usó como ejemplo contrastador de un modelo climático (negro) elaborado por James E. Hansen y sus colegas del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA. Algunas versiones del modelo (a, c), consideraron sólo el calentamiento debido al aumento del dióxido de carbono atmosférico (admitiendo que la duplicación de la cantidad de dióxido de carbono daba por resultado un aumento de temperatura de 2,8 grados Celsius). Otras versiones (c, d ) tuvieron también en cuenta el calentamiento debido a la progresiva limpieza de la estratosfera. El aumento de temperatura desde 1910 hasta 1940 parece obedecer, principalmente, a un progresivo aclaramiento de la estratosfera durante un período de baja actividad volcánica. Los océanos moderan las variaciones de temperatura gracias a su capacidad para almacenar grandes cantidades de calor. En algunas versiones del modelo (a, c ) se consideró únicamente la capacidad calorífica de la capa superficial, bien mezclada, de los océanos. En b y d se supuso que la parte superior del océano se mezclaba a través de la termoclina entre ella y las profundidades oceánicas.
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incorporaba cálculos de la velocidad de mezcla oceánica deducidos de la dispersión de los isótopos radiactivos tritio (hidrógeno 3) y carbono 14 producidos por pruebas de armas nucleares; cómputos que demuestran que, desde la revolución industrial, ha ido a parar al océano una cantidad de dióxido de carbono aproximadamente igual a la que ha quedado en la atmósfera. El aumento total de dióxido de carbono calculado, dentro del margen de incertidumbre, es ligeramente inferior a la cantidad total de dióxido de carbono procedente de la quema de combustibles fósiles y de la deforestación. Las estimaciones son al menos coherentes. Pertrechados ya con los cálculos relativos a la distribución del dióxido de carbono entre los océanos y la atmósfera y los concernientes al consumo previsible de combustibles, podemos extrapolar el aumento del dióxido de carbono atmosférico has ta el siglo próximo y más allá. De acuerdo con la mayoría de las pre visiones del consumo de energía en el futuro, la cantidad de dióxido de carbono se duplicará hacia mediados del siglo que viene, duplicándose de nuevo, probablemente, antes de que se alcance el máximo del consumo de combustibles fósiles. Para predecir las consecuencias de este aumento extrapolado sobre el clima terrestre, se recurre a modelos matemáticos. Syukuro Manabe y Richard T. Wetherald consideran que la duplicación del dióxido de carbono atmosférico (de 300 a 600 partes por millón) elevaría la temperatura media global en 2,5 grados Celsius. Es probable que el aumento se acerque más a los cinco grados Celsius a altas latitudes. Diariamente se producen fluctuaciones térmicas locales que superan los 2,5 grados, pero tal cambio en la temperatura media global sería importante, pues equivaldría al producido entre el máximo de la última glaciación, hace 18.000 años, y el presente.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA VARIATIONS
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PACE-
. J. D. Hays, John Imbrie y N. J. Shackleton en Science, vol. 194, n.o 4270, págs. 1121-1132; 10 de diciembre de 1976. MAKER OF THE ICE AGES
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. James B. Pollack en Icarus, vol. 37, n.o 3, págs. 479-553; marzo, 1979. CLIMATE IN EARTH HISTORY. Wolfgang H. Berger y J. C. Crowell. National Academy Press, 1982. PLANETS
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La atmósfera caprichosa Manuel Puigcerver La comprensión de los fenómenos atmosféricos sigue presentando ciertas dificultades, incluso en algunos aspectos cotidianos, que se dan por sabidos
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juzgar por el desparpajo con argón (0,9 %), dióxido de carbono sideremos un disco que girase con que muchas personas y algunos (0,03 %). Hay además algunos gases velocidad angular constante y en senmedios de comunicación traza (helio, neón, criptón, xenón), que tido antihorario alrededor de su cenhablan de asuntos tales como el cam- se encuentran en proporciones mucho tro, O (véase la figura 2 ). Supóngase bio climático, las consecuencias del menores (10–3 %). Dentro del margen que desde O se disparase un proyectil fenómeno llamado El Niño y el agujero de temperaturas y presiones atmosfé- apuntando a un blanco, solidario del de ozono, se diría que el público, y no ricas, el agua puede existir en uno o disco, que en el instante del disparo sólo unos pocos especialistas, está varios de los tres estados fundamen- estuviese situado en el punto B, alirazonablemente familiarizado con el tales, sólido, líquido y gaseoso; al neado con otro, P, que no participa de comportamiento de la atmósfera y que pasar de uno a otro pone en juego la rotación. Mientras el proyectil reéste es fácilmente inteligible. calores de transformación considera- corre su camino, el blanco, por girar Ambas presunciones resultan erró- bles, lo que, en algunos aspectos, la con el disco, se habrá desplazado a la neas. Las dudas comienzan a surgir convierte en uno de los más importan- posición B’. A un observador situado al observar la frecuencia con que se tes componentes de la atmósfera. sobre el disco, entre O y B, le parecería confunde inestabilidad con mal Pero el punto de interés a nuestros que el proyectil se hubiese desviado tiempo, posibilidad con probabilidad, efectos es que la atmósfera se com- hacia la derecha, yendo a caer en B y y clima —o, peor aún, climatología— porta como un fluido. Y, como todo el no en B’, como él esperaba. Para quien con tiempo; quedan definitivamente mundo sabe, los fluidos se mueven observase el proceso desde fuera del disipadas cuando, como muy reciente- desde donde la presión es mayor hacia disco, sin participar en su rotación, las mente, se oye caer en tales disparates donde es menor. Por eso se vacía un cosas se habrían desarrollado como a autoridades que, por razón de su globo de goma cuando se pincha y lo era de esperar: el proyectil se habría cargo, deberían extremar el cuidado mismo hace un estanque cuando se movido a lo largo de la línea OP, al tratar de cuestiones que, al parecer, abre el desagüe. cayendo en B. sólo conocen superficialmente. Ahora bien, quien haya prestado un Algo parecido ocurre en la superficie Y es que, en contra de lo supuesto, poco de atención a los mapas meteo- terrestre. Por hallarse ésta en rotación el funcionamiento de la atmósfera no rológicos que se publican en la prensa uniforme, las partículas de aire en es nada sencillo. Muchos de sus aspec- o se presentan en la televisión habrá movimiento sufren una desviación tos se conocen bien pero resultan ser observado que los vientos circulan casi aparente hacia su derecha en el hemismucho más complicados y menos exactamente a lo largo de las curvas ferio norte para los observadores soliintuitivos de lo que parecía. Otros no isobaras en lugar de hacerlo perpen- darios de la Tierra, cosa que todos, se conocen más que parcialmente. dicularmente a ellas, es decir, en lugar salvo los astronautas en órbita, somos. Algunos, y no precisamente secunda- de soplar de las altas a las bajas pre- Como para el observador que mire rios, están todavía pendientes de una siones ( véase la figura 1 ). Y aquí hacia el norte desde el hemisferio sur explicación racional. empiezan las dificultades. Lo primero el giro terrestre tiene sentido horario, Naturalmente, no se pretende aquí que hay que hacer es indicar la razón apreciará una desviación hacia la resolver la cuestión; sólo se trata de de este comportamiento anómalo. En izquierda. Para explicar la desviación mostrar, mediante algunos ejemplos, segundo lugar hay que explicar cómo se introduce una fuerza aparente, la el desconcertante comportamiento de es que, a pesar de ello, ni las regiones llamada fuerza de Coriolis (en honor la atmósfera en ciertas situaciones de de baja presión (depresiones o bajas) del ingeniero y matemático francés apariencia sencilla. ni las de alta presión (anticiclones o Gustave-Gaspard de Coriolis, que fue el primero en estudiar los movimienaltas) persisten indefinidamente. El viento no es sino el movimiento tos sobre superficies en rotación en ¿Sopla el viento del aire respecto de la superficie 1829), la cual es proporcional al doble como debiera? terrestre, que se encuentra en rota- de la velocidad angular de rotación de ción uniforme alrededor del eje de la la Tierra, a la velocidad de la partícula a atmósfera es una mezcla de Tierra. Así, viento del oeste significa y a una función trigonométrica de la gases cuya composición, con la aire que se mueve hacia el este con latitud. excepción del vapor de agua, es esen- una velocidad mayor que la de la Esta fuerza desviadora de Coriolis cialmente constante hasta unos 80 km Tierra; la calma no es más que aire en es perpendicular a la dirección del de altitud. Estos son los componentes reposo respecto de la Tierra. móvil y está dirigida hacia la derecha y sus proporciones aproximadas: Para aclarar los efectos de la rota- en el hemisferio norte y hacia la nitrógeno (78 %), oxígeno (21 %), ción sobre el movimiento relativo, con- izquierda en el hemisferio sur. Actúa
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sobre todos los cuerpos que se mueven sobre el planeta, pero debido a la B' pequeñez de la velocidad de rotación de la Tierra, sus efectos no se aprecian más que cuando las trayectorias de los móviles son muy largas, porque entonces tiene suficiente tiempo de actuar. Esta es la razón de que no nos resulte más familiar a todos. Los especialistas O en artillería de largo alcance y en cohetería, los oceanógrafos y los meteorólogos, en cambio, la usan corrientemente. B Es fácil ver ( figura 3) que una partícula que desde el ecuador se dirija al P polo norte será desviada hacia el este, mientras que si va del polo norte al ecuador lo será hacia el oeste. En los movimientos atmosféricos a gran escala se llega a establecer un 2. EN UN DISCO QUE GIRE en sentido antihorario se lanza desde el centro, O, un cuasiequilibrio entre la fuerza bárica proyectil, apuntando a un blanco fijo en el disco y situado en la posición B; sigue (que trataría de llevar las partículas la dirección OP (el punto P es exterior al disco y no se mueve) y cae en B. Un obserde las zonas de alta presión a las de vador situado sobre el disco, que mire hacia la referencia P, creerá que el proyectil baja) y la fuerza de Coriolis que, en el se ha desviado hacia la derecha de su trayectoria, ya que mientras describía ésta, hemisferio norte, tiende a desviar la el blanco se ha movido hasta la posición B’. Esta desviación aparente se registra que el móvil evolucione sobre una superficie en rotación, como ocurre con trayectoria hacia la derecha del vector siempre la de la Tierra. La fuerza aparente causante de tal desviación se llama “fuerza de velocidad. Entonces la partícula en Coriolis” en honor del ingeniero francés que estud ió por primera vez los movimiencuestión se mueve paralelamente a tos sobre superficies de referencia móviles. las isobaras, como si sobre ella no actuase fuerza alguna ( figura 4). La anterior descripción es válida Anticiclones y buen tiempo, el anticiclón no es una cumbre, sino ¿un engaño? sólo en primera aproximación. En un altiplano. Compárese en el mapa realidad, la fuerza bárica predomina de la figura 1 el centro de la depreos anticiclones, o centros de alta sión entre Islandia y Groenlandia ligeramente sobre la de Coriolis, de manera que el movimiento tiene una presión, no son exactamente la con la enorme zona sin gradiente de ligera componente hacia las bajas contrapartida de las depresiones, sino la parte central del anticiclón de las presiones. Es esta circunstancia la que presentan algunas características Azores. que permite que las depresiones se propias. Se trata, para empezar, de Y finalmente, los vientos anticiclórellenen y la altas presiones se debi- sistemas de escala (o tamaño) mucho nicos muestran una ligera compoliten, dando el resultado de todos mayor: un anticiclón puede abarcar nente transisobárica hacia las bajas conocido: mapas del tiempo cambian- cómodamente toda la superficie de presiones (es decir, hacia la perifetes, con depresiones que nacen, cre- Europa occidental ( figura 1). ria), que indica divergencia en niveEn segundo lugar, mientras que las les bajos: el aire está escapando d e la cen, se mueven y finalmente se rellenan y desaparecen, junto a anti- depresiones son migratorias, los anti- parte central del anticiclón. Esta ciclones que se refuerzan o se debili- ciclones suelen estar anclados en la divergencia es compensada por una tan y oscilan en torno a una posición vecindad de una posición preferida, convergencia en los niveles superiode equilibrio, pudiendo llegar tam- alrededor de la cual más bien oscilan res y un lento movimiento de desbién a desaparecer. en lugar de alejarse definitivamente censo, o de hundimiento en bloque, Así, para explicar un simple hecho de ella; por eso se suelen conocer con del aire en la parte central del antide observación diaria ha habido que un topónimo (anticiclón de las Azores, ciclón. Este movimiento recibe el recurrir a conceptos que ya no son tan anticiclón siberiano, etc.). nombre de subsidencia e importa En tercer lugar, el aspecto también entre 500 y 1000 metros por día familiares, como los de movimiento relativo y fuerzas aparentes. Es una es distinto del de una zona de bajas ( figura 5). Al descender, un estrato primera muestra de comportamiento presiones: mientras que ésta repre- de aire limitado por un prisma se va senta topográficamente un embudo, aplastando en sentido vertical (ya díscolo de la atmósfera. que encuentra presiones cada vez mayores) y se dilata en sentido horizontal, a causa de la forma de las 1. MAPA DEL TIEMPO correspondiente a la superficie para las 12 horas del merilíneas de corriente. La compresión diano de Greenwich (“tiempo universal”, o TU) del día 1 de enero de 1983, reproduadiabática produce calentamiento cido del Boletín Meteorológico Europeo que publica el Servicio Meteorológico alemán. La nubosidad total viene representada por la proporción en negro del del estrato. El descenso se hace cada círculo central situado en cada estación; los meteoros observados se representan vez menos perceptible en la vecindad mediante símbolos fáciles de recordar y las variables numéricas se transcriben del suelo, que impide el movimiento mediante cifras en clave. La dirección del viento está representada por el trazo vertical, obligando al aire a espar junto al círculo central y su fuerza por medio de rayitas transversales (cada rayita cirse lateralmente; también es corta representa 5 nudos y cada rayita larga, 10 nudos; el nudo es la milla marina pequeño en la parte alta del anticipor hora, unidad conveniente cuando hay que medir distancias sobre los mapas). clón a causa de la forma de las líneas Obsérvese que en la parte central del anticiclón los vientos son flojos y tienden a fluir hacia fuera, es decir, alejándose del centro. de corriente.
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LA ATMÓSFERA
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Puede demostrarse que en un mo vimiento de subsidenc subsidencia ia se mantiene constante la expresión M = ( – ) / ( p p ) llamada invariante de Margules . En ella, representa el coeficiente de enfri amie amiento nto del aire por eleva ción adiabática, magnitud dinámica que es
constante y vale esencialmente 1 kel vin por hectómetro; es el gradiente vertical de temperatura del aire, o disminución de la temperatura por unidad de altura, variable según las condiciones atmosféricas y rarísima vez superior a en en la atmósfera libre (sí puede serlo en la vecindad del suelo cuando el sol lo ha calentado mucho); p es la presión y representa el área de la sección recta del estrato considerado. En el movimiento de subsidencia aumentan simultáneamente los dos términos del denominador: p a causa del descenso, y a causa de la dispersión lateral del aire en la parte baja.
La invariancia de M obliga, por tanto, a que disminuya hasta el punto de hacerse negativa, es decir, la temperatura aumentará con la altura constituyendo una inversión térmica . Ahora bien, bie n, cuanto más pequeña peque ña sea frente a , tanto mayor será la estabilidad hidrostática de la atmósfera y tanto más frenados quedarán los movimientos de ascendencia; la inversión de subsidencia es un caso extremo en el que el movimiento vertical consiste sólo en un descenso en bloque del aire de la parte interior del anticiclón. La figura 6 explica de manera sencilla la formación de esta clase de inversiones. La curva QP representa la curva de estado al iniciarse el proceso de subsidencia. El descenso adiabático de la partícula que se encontraba en el punto P hace que se vaya calentando (a razón de 1 K por hectómetro) de modo que al cabo de, por ejemplo, dos días, el punto representativo de su estado es el P’: tanto la presión como la temperatura de la
HEMISFERIO NORTE
ECUADOR
HEMISFERIO SUR
3. LAS FLECHAS ROJAS DE ESTE DIAGRAMA representan la dirección del viento, mientras que las flechas negras cortas representan la dirección de la fuerza desviadora de Coriolis. En el hemisferio norte, la desviación tiene lugar hacia la derecha de la dirección del móvil, mient ras que en el hemisferio sur es hacia la izquierda. En el ecuador la fuerza desviadora es nula y, por tanto, no hay desviación.
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partícula han aumentado y su altura ha disminuido. El ulterior enfriamiento por radiación puede llevarla a un estado final como el representado por el punto P”, al que sigue correspondiendo una temperatura mucho más alta que la del aire, que estaba a la misma altura cuando comenzó la subsidencia Q. Por encima del punto B se ha creado, crea do, pues, la fuerte inversión característica de la subsidencia, que se va reforzando al mismo tiempo que desciende, a medida que el anticiclón va envejeciendo y el proceso de subsidencia progresa. Como cifras indicativas, indicativas, la base de la inversión de subsidencia puede encontrarse al principio a unos 1000 m y va descendiendo paulatinamente hasta unos 200 metros. Cuanto más cerca del suelo se encuentre la partícula inicialmente, tanto menor será su descenso por subsidencia: la forma de las líneas de corriente de la figura 5 impone que tales partículas, en lugar de descender, se deslicen lateralmente casi paralelas al suelo. Otra propiedad de esta clase de inversiones es la distribución vertical de la humedad. Caracterizamos ésta por la temperatura del punto de rocío, o simplemente punto de rocío, es decir, la temperatura a la cual el vapor de agua que contiene el aire se condensaría (se depositaría rocío), si éste se enfriase sin variar la presión. Ahora bien, el vapor de agua que contiene el aire proviene del suelo, como consecuencia de la evaporación del agua de mares, ríos, lagos, suelos mojados y evapotranspiración de las plantas. Pero, dado que las inversiones frenan el movimiento vertical, la forma de la curva de estado ( figura figura 6) impide que el vapor de agua sea arrastrado más allá de la base B de la inversión, con lo que la región SB puede estar húmeda, pero por encima de B, como consecuencia de ello y del calentamiento por compresión al descender, el punto de rocío disminuye brusca y rápidamente y sigue un curso con la altura casi exactamente inverso al de la temperatura. El movimiento de descenso y la escasa humedad impiden ambos la formación de nubes y contribuyen al buen tiempo característico de los anticiclones. Ahora bien, en todos los textos de contaminación atmosférica se cuenta la historia de terroríficos episodios registrados precisamente bajo situaciones marcadamente anticiclónicas. ¿Tiene esto explicación? La tiene, aunque la verdad es que se tardó en hallarla. Expongamos primero los hechos. TEMAS 12
Entre el 1 y el 5 de diciembre de 1930 se produjo en el valle del Mosa, en Bélgica, lugar muy industrializado donde existían plantas siderúrgicas, industrias químicas (fábricas de H2SO4), fábricas de vidrio y manufacturas de zinc, además de otras menos importantes, un episodio de niebla extremadamente densa y tóxica en el que perdieron la vida 60 personas, casi todas entre los días 4 y 5, y centenares de otras enfermaron. Se sabía muy poco acerca de la contaminaci contaminación ón atmosférica en la época; de hecho, se sabía poco incluso acerca de la distribución vertical de la temperatura. Por otra parte, las circunstancias, en plena crisis económica mundial, tampoco eran propicias para lanzar grandes campañas de estudio; se pensó que el episodio había sido una singularidad y no se repetiría. Se ha estimado posteriormente que se produjeron concentraciones de SO2 extrema extremadamente damente altas, del orden de 30.000 g/m3 (se supone que no debe superarse una concentración de 400 g/m3), agravadas por la presencia de fluoruros y compuestos de Zn, probablemente sulfatos de Zn y amonio. En un estudio post mortem mortem, J. Firket avisaba proféticamente que, si el suceso se hubiera producido en Londres, los servicios públicos hubieran tenido que enfrentarse a 3200 muertes súbitas. Otro conocido episodio tuvo lugar entre el 26 y el 31 de octubre de 1948 en Donora, Pennsylvania, pequeña población industrial situada a unos 45 km al sur de Pittsburgh, en el va lle del río Monongahela. La ciudad tenía, entre otras cosas, una siderúrgica, side rúrgica, una fábrica de H2SO4 y otra de zinc; su población era de unos 14.000 habitantes, el 40 % de los cuales padecieron dolencias respiratorias, tos e irritación en garganta, nariz na riz y ojos; 20 personas murieron. De nuevo, la causa aparente fue una espesa niebla. Tampoco en este caso se tomaron muestras, pero la concentración de SO2 se estimó entre 1500 y 6000 g/ m3 junto con gran concentración de partículas y probablemente de aerosoles sulfúricos. La sombría previsión de Firket referente a Londres se cumplió con creces entre el 4 y el 9 de diciembre de 1952. En este caso murieron 3900 personas por encima de la cuota normal para la época del d el año. Una niebla londinense típica se convirtió en “killer smog” ( niebla mortífera) como consecuencia de la creciente concentración de partículas y de dióxido de azufre, a su vez resultado del empleo de carbón para producir energía eléctrica y para calefacción y usos domésLA ATMÓSFERA
p-1 b
p Vg
p+1
c p+2 b = fuerza bárica
c = fuerza de Coriolis
Vg = viento geostrófico
p-1, p, p+1... = isobaras
4. EN EL CASO DEL VIENTO LLAMADO GEOSTROFICO, que es una buena aproximación al viento real, existe equilibrio entre l a fuerza bárica b, que tiende a mover las partículas de las zonas de alta presión a las de baja, y la fuerza de Coriolis c. El resultado es que el viento fluye paralelamente a las isobaras. El viento real, sin embargo, no es estrictamente geostrófico y tiene una pequeña componente dirigida hacia las bajas presiones. Por eso es posible que las depresiones se rellenen y los anticiclones desaparezcan.
ticos. Un testigo presencial escribió Se indicó antes que todos esos epique “uno no podía ver su propia mano sodios tuvieron lugar en situaciones puesta delante de la cara”. Dos días claramente anticiclónicas y, por tanto, después, la niebla comenzó a causar en condiciones de activa subsidencia. muertes: las primeras víctimas fue- Por otra parte, examinando las corresron personas ancianas, particular- pondientes fechas, llama la atención mente quienes padecían dolencias que siempre se produjeran a fines de cardiovasculares y de vías respirato- otoño o comienzos de invierno. Es, rias, pero afectó también a personas pues, de esperar abundante uso de sanas. La concentración máxima dia- calefacciones con la consiguiente conria de SO2 llegó en algunos lugares a tribución extra a la concentración de 4000 g/m 3. SO2, NOx y partículas. A la vista de la Ha habido posteriormente en coincidencia de ambos factores, factore s, se nos Londres otros episodios de contamina- ocurre preguntar si pudo la estación ción (en particular en diciembre de del año alterar de alguna forma el 1962) aunque ninguno alcanzó la gra- típico buen tiempo anticiclónico. Y la vedad del reseñ reseñado, ado, proba probablemen blemente te respuesta es afirmativa. porque su única consecuencia benéfica benéfica La forma de la curva de punto de fue la designación de una comisión co misión de rocío representada en la figura 6 estudio cuyas recomendaciones recomen daciones se indica que el vapor de agua (junto con c on materializaron en la promulgación de núcleos de condensación, partículas la Clean Air Act (Ley del Aire Limpio) y gases contaminantes) puede ser de 1956, que estableció severas nor- arrastrado por las corrientes ascenmas de emisión, especialmente por lo dentes desde el suelo hasta la base de referente a partículas y a SO 2, así la inversión de subsidencia, pero ésta como restricciones en el uso de ciertos (que, como todas las inversiones, se combustibles. comporta como una barrera infranNo se trata de agotar el tema; baste queable para las corrientes verticales, con mencionar que también ha habido actuando, por decirlo así, de “tapaepisodios similares en otras ciudades: dera” respecto a ellas) impide que los de noviembre de 1953, de noviem- pasen más arriba. En la base de la bre de 1962 y especialmente el e l del Día inversión, por tanto, se acumulan de Acción de Gracias de 1966 (días 21 vapor de agua, núcleos de condensaa 25 de noviembre) en Nueva York; ción y partículas contaminantes, por entre el 28 de noviembre y el 6 de lo que puede fácilmente saturarse, diciembre de 1979 se registraron sen- formándose una capa nubosa que dos episodios graves tanto en Bar- emite radiación infrarroja mucho más celona como en Madrid, donde hubo eficazmente que el aire. La cima de la que prohibir el uso de calefacciones capa nubosa se enfría, la inversión se domésticas antes de las 19 horas. hace más abrupta y con ello el gra21
diente geométrico de temperatura de la atmósfera, la física clásica y de la capa situada bajo la inversión se otras ciencias habían logrado notables aproxima al adiabático seco , dando éxitos; entre los científicos reinaba un por resultado una región de mezcla estado de euforia y se auguraba a corto cor to muy activa coronada por una fuerte plazo la solución de los pocos probleinversión. mas no resueltos. El ambiente cientíLos contaminantes inyectados en el fico era decididamente determinista, aire a nivel del suelo son repartidos concepto éste que implicaba previsibien toda esta capa por los movimientos lidad absoluta y había sido magistralde ascendencia sin que puedan sobre- mente expuesto por el gran físico y pasar la inversión. En invierno, ade- matemático francés Pierre Simon de más, el enfriamiento nocturno puede Laplace con estas palabras: originar inversiones de superficie. “Debemos, pues, considerar el Ello favorece la formación de la niebla, es estado tado presente del universo como el que encuentra la capa bajo la inver- efecto de su estado anterior y como la sión de subsidencia cargada de hume- causa del que lo seguirá. Una intelidad, de gases y de partículas contami- gencia que en un instante dado cononantes, lo que unido a la escasa ciese todas las fuerzas de las que está ventilación (los vientos son siempre animada la naturaleza, si por lo demás flojos en los anticiclones), la relativa- fuese suficientemente poderosa para mente larga vida de estos sistemas y someter estos datos al análisis, englola tendencia de la inversión de subsi- baría en la misma fórmula los movidencia a ir descendiendo a medida que mientos de los mayores cuerpos del el anticiclón envejece, configura un universo y los del más ligero átomo; conjunto de condiciones propicias para nada sería incierto para ella y el porepisodios de contaminación como los venir, al igual que el pasado, pasad o, estaría e staría descritos y otros más recientes que, presente ante sus ojos” ( Essai Essai philosogracias a la normativa vigente sobre phique sur les probabilités, 1814). emisiones y a las medidas de urgencia Estas ideas, al parecer tan razonaadoptadas cuando se requería, no han bles, han prevalecido durante más de llegado a alcanzar la gravedad de un siglo. Vilhelm Bjerknes, fundador aquéllos. de la que en España se conoce como Escuela Noruega y a quien probablemente se puede calificar con justicia Previsibilidad de padre de la meteorología científica moderna, expuso en 1904 su concepto ntre principios y mediados del del problema de la predicción del siglo pasado, época en que se ini- tiempo en los siguientes términos: ció a duras penas el estudio científico “Todo problema atmosférico pura-
E
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P'
5. EN LA PARTE CENTRAL DEL ANTICICLON los vientos soplan ligeramente hacia la periferia. Esta divergencia es compensada en las capas superiores (generalmente algo por debajo de la tropopausa) por fenómenos de convergencia y por un lento descenso en bloque del aire de la parte central del anticiclón, llamado subsidencia. A causa de este movimiento, un estrato de aire limit ado por un prisma (en color ) va descendiendo lentamente al mismo tiempo que se aplasta, porque va encontrando presiones cada vez mayores y se dilata en sentido horizontal debido a la forma de las líneas de corriente. La compresión adiabática produce calentamiento del estrato. El descenso es cada vez menos perceptible conforme la masa se acerca al suelo.
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mente mecánico se puede reducir a establecer la posición y el movimiento de todas las partículas de aire implicadas y a predecir su estado, posición y movimiento futuros en un instante dado mediante las leyes de la física: un problema que en principio debe ser susceptible de solución. Esta ha de comprender tres pasos: 1) realizar el mejor diagnóstico posible de los estados es tados atmosféricos; 2) hallar la posición futura de todas las partículas y 3) determinar sus estados futuros en las nuevas posiciones.” Durante más de medio siglo estas palabras, que constituyen un resumen de lo que se ha llamado “plan de 1904” de Bjerknes, se han considerado como un enunciado modélico del problema de la predicción del tiempo, si bien se podría objeta r que falta un cuarto párrafo: expresar las conclusiones en forma tan clara, concisa y explícita como sea posible. Eso es lo que distingue la predicción del tiempo de la predicción del mapa del tiempo. Es claro que en el concepto de Bjerknes subyace la idea determinista de Laplace; el determinismo tardaría aún años en ser cuestionado, y ello sólo para sistemas subatómicos. De hecho, incluso hoy día, la mayoría de las personas creen que la predicción del tiempo mejorará notablemente cuando se disponga de datos suficientemente abundantes sobre los océanos y las regiones escasamente pobladas. Vamos a ver que, en realidad, la atmósfera nos guarda una nueva sorpresa. Actua Ac tualme lmente nte,, tan tanto to el map mapaa del tiempo como su versión pronosticada (es decir, el mapa del tiempo previsto) han dejado de construirse manualmente o, al menos, la confección manual ha pasado a segundo término. Existen programas muy refinados que, introducidos en el ordenador y alimentados con los datos meteorológicos tomados simultáneamente a una hora to, permiten construir directamente el mapa correspondiente a esa hora. El mapa previsto para t horas más tarde se obtiene mediante los llamados modelos atmosféricos, que son complicadas representaciones físico-matemáticas de la atmósfera en las que se intenta conservar tantas características de la atmósfera real como sea posible manteniendo la labor de cálculo dentro de límites manejables. En las ecuaciones (diferenciales no lineales) que rigen el modelo hay términos dependientes de las coordenadas y otros que son función del tiempo; escribiendo las ecuaciones en diferencias finitas, los primeros se TEMAS 12
pueden evaluar leyendo en el mapa los datos pertinentes; en cuanto a los segundos, conociendo el valor inicial y la función del tiempo, es posible obtener el valor al cabo de un intervalo de tiempo pequeño, mucho menor que el plazo final de pronóstico. Esto se hace para un gran número de puntos del mapa, con lo que se obtiene el mapa previsto para ese instante. El proceso se puede repetir tantas veces como haga falta hasta obtener el mapa previsto para t horas más tarde. Hay ciertas restricciones de índole matemática y otras de carácter aritmético que se tienen en cuenta. La predicción del tiempo propiamente dicha, que se realiza a partir del mapa pronosticado, es el único paso en que todavía interviene directamente el ser humano, si bien se están haciendo esfuerzos para automatizarlo. Curiosamente, una de las mayores dificultades con que se tropieza en el proceso es la determinación de los valores de las variables en el instante t0 , que se han de introducir en el programa como punto de partida. Los modelos actuales son muy sensibles a los errores que aquí se produzcan y las técnicas requeridas para evitarlos son objeto de intensa investigación. Volviendo a la formulación de Bjerknes, parece razonable plantearse la siguiente pregunta. Supuesto que: 1. Se pudieran especificar con exactitud las condiciones iniciales 2. Se pudieran calcular con exactitud las derivadas parciales 3. Se dispusiese de un modelo capaz de reproducir fielmente el comportamiento de la atmósfera, y 4. No se cometieran errores en la integración numérica de las ecuaciones diferenciales no lineales ¿Se podría hacer una predicción para cualquier instante futuro, al estilo laplaciano o bjerknesiano, o bien el período de predicción tiene límites insuperables? La cuestión de la previsibilidad fue planteada por primera vez en 1954 por un gran meteorólogo inglés, Reginald C. Sutcliffe, y los primeros intentos serios de evaluarla fueron llevados a cabo por otro gran meteorólogo, esta vez norteamericano, Philip D. Thompson, quien en 1957 consiguió mostrar que debe existir tal límite e incluso logró hacer una tosca estima. Su conclusión fue que “una predicción para dentro de una semana no es mejor que la simple adivinanza”. Los sensacionales, más recientes y más conocidos trabajos de Edward N. Lorenz —que, incidentalmente, despertaron el interés de los LA ATMÓSFERA
CURVA DE ES TADO DESPUES DE LA SUBSIDENCIA
) S O R T E M O L I K ( A R U T L A
3
2
L P A I C I N I O D A T S E E Q D A V
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CURVA DE ESTADO DESPUES DE LA SUBSIDENCIA MODIFICADA POR ENFRIAMIENTO RADIATIVO
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U C
INVERSION DE SUBSIDENCIA
1 CURVA DE ESTADO DEL PUNTO DE ROCIO
B S
ZONA DE INVERSION DE RADIACION TEMPERATURA
6. SE MUESTRA EL EFECTO DE LA SUBSIDENCIA sobre la curva de estado. Una partícula situada en el punto P, correspondiente a la posición P de la figura 5, desciende al tiempo que se calienta por compresión adiabática, alcanzando el estado representado por el punto P’, mucho más caliente que el punto Q, que en el sondeo inicial correspondía a la misma altura. Este proceso suele requerir entre un día y medio y dos. El enfriamiento por radiación puede llevar luego a la partícula al estado P”, mucho más caliente que el Q. Haciendo la construcción punto a punto, se obtiene la curva de estado en negro: la subsidencia de los estratos que inicialmente estaban más bajos es menor por el entorpecimiento que el suelo ejerce sobre el descenso y consiguientemente también es menor el calentamiento que experimentan. El resultado es la formación de una fuerte inversión (inversión de subsidencia) a una cierta distancia del suelo (de 800 a 1000 metros). Además, el calentamiento adiabático producido por el descenso del aire reduce la humedad relativa; la variación con la altura de, por ejemplo, la curva de punto de rocío (temperatura a la cual se condensa el vapor contenido en el aire por enfriamiento a presión constante) tiene el aspecto de la curva en rojo: la inversión de subsidencia se caracteriza por un fuerte descenso de la humedad al pasar de su base a su cima. Estas inversiones, por su persistencia y porque van descendiendo a medida que el anticiclón envejece, constituyen un ingrediente casi indispensable en l os episodios catastróficos de contaminación.
físicos teóricos por el “caos” [ véase resulta inaceptable: en la práctica, la “Caos”, por J. P. Crutchfield, J. D. atmósfera —como otros sistemas no Farmer, N. H. Packard y R. S. Shaw lineales— no se comporta de forma en I NVESTIGA CIÓN Y C IENCIA , febrero estrictamente determinista. Aun de 1987]— pusieron de manifiesto cuando siga siendo obligado mejorar que incluso una versión muy simpli- tanto la densidad de la red de obserficada de las ecuaciones del movi- vaciones meteorológicas como la premiento atmosférico, con sólo tres cisión del instrumental de medida grados de libertad, se comportaba de para determinar con la exactitud modo aparentemente caótico. In ves- posible el estado inicial, es claro que tigando la razón, Lorenz descubrió existe un límite superior para el peque las perturbaciones microscópicas ríodo de predicción: ni ahora ni nunca pueden aumentar indefinidamente en el futuro se va a poder predecir el de amplitud, afectando al comporta- tiempo con antelación superior a un miento macroscópico, y analizó el plazo que, en el mejor de los casos, tiempo que se precisaba para que se será del orden indicado. Enrico Fermi perdiera la semejanza entre el campo solía decir humorísticamente que “la de movimiento observado y el inicial, naturaleza es un mal bicho”. He aquí momento en que el movimiento se un excelente ejemplo. hace imprevisible. Las estimas de la previsibilidad varían según la escala del movimiento, pero para la escala sinóptica (los sistemas me teorolóM ANUEL PUIGCERVER obtuvo el docgicos que uno ve en los mapas del torado en Ciencias Físicas por la Unitiempo) podría estar entre dos y tres versidad de Barcelona en 1962. Ha semanas. sido catedrático de Física del Aire de la misma durante el período comprenEn la actualidad, pues, la formuladido entre los años 1967 a 1987. ción del problema de la predicc ión en los términos de Laplace o de Bjerknes 23
Las nubes Jean-Pierre Chalon y Marc Gillet Para comprender los detalles de su formación y desarrollo hay que conjugar los resultados de las observaciones con las leyes de la dinámica de fluidos y las de la microfísica
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as nubes son múltiples y varia- la forma de calor. La condensación nubes cubren permanentemente la das. Las hay pacíficas, que producida en un cúmulo de buen mitad del globo y sus cimas alcanzan anuncian un tiempo clemente. tiempo de unos dos kilómetros cúbicos 20 kilómetros de altitud en las regioOtras provocan fenómenos violentos y proporciona una energía de aproxima- nes tropicales y 10 kilómetros en desastrosos, como el granizo, el rayo, damente 5 1012 joule en diez minu- Europa. La disposición y la naturaleza los vendavales y los tornados. El tos, equivalente a la producción de de las formaciones nubosas dependen peligro que esto representa para vidas una central nuclear en una hora. del estado de la atmósfera, es decir, de y haciendas nos atemoriza. Difieren Parte de este calor se transforma en las variaciones que presentan la temtambién entre sí las nubes por el energía cinética, es decir, en movi- peratura, la humedad y el viento en tamaño: las convectivas aisladas pue- miento. Las velocidades verticales en función de la altura y de la velocidad den ocupar unos cuantos kilómetros el interior de las nubes pueden alcan- vertical media del aire situado encima cuadrados, mientras que hay sistemas zar 150 kilómetros por hora. Cerca del de la región considerada. nubosos que se extienden sobre dece- suelo se perciben golpes de viento y La evolución de las nubes se desnas y centenares de kilómetros; los variaciones de temperatura rápidos y cribe de manera simplificada mediante sistemas multicelulares, los complejos violentos. El estudio de estos movi- las leyes termodinámicas y el concepto convectivos y las líneas de turbonada mientos del aire y de las variaciones de “partícula de aire”. Consideremos cubren algunos miles de kilómetros. de temperatura, humedad y presión una partícula de aire (una burbuja de Para tratar de entenderlas, los inves- asociadas con ellos es el objeto de la gran tamaño) que contenga vapor de tigadores estudian la electricidad dinámica de nubes. La organización agua y se eleve a través de la atmósatmosférica, la microfísica y la diná- dinámica actúa indudablemente sobre fera. Si es suficientemente volumimica. También evalúan la contribu- la evolución microfísica, pues los vien- nosa, los intercambios de materia y ción de las nubes al equilibrio radia- tos transportan las partículas de aire calor con el exterior serán despreciativo del planeta y a la redistribución de unos a otros ambientes. bles. En una primera aproximación se de la energía entre el ecuador y los La manera que tienen las nubes de razona como si la partícula estuviera polos. participar en el equilibrio radiativo es encerrada en una envoltura elástica e Si hacemos un rápido repaso histó- mediante el reflejo, la difusión y la impermeable al calor, de modo que la rico, el relámpago es el fenómeno tor- absorción parciales de las radiaciones presión interna se ajuste instantáneamentoso que se trató de explicar pri- solar y terrestre. Su acción radiativa mente a la presión atmosférica circunmero. Benjamin Franklin puso de depende de sus características micro- dante. Como la presión disminuye manifiesto su naturaleza eléctrica en físicas. Así, los cirros, que son semi- conforme la partícula de aire asciende, el siglo XVIII. Los conocimientos de elec- transparentes para la radiación visi- su temperatura desciende y aumenta tricidad atmosférica han progresado ble y reflejan la mayor parte de la su volumen. luego, pero las dificultades de medida infrarroja, contribuyen al efecto de La cantidad máxima de vapor de in situ siguen dificultando el progreso invernadero. Los estratocúmulos, que agua que puede contener un metro de esta subdisciplina de la física de son opacos a la radiación visible, redu- cúbico de aire depende de la presión y nubes. La comprensión de los mecanis- cen en cambio la cantidad de energía de la temperatura. Durante la elevamos de electrización atmosférica no es solar que llega al suelo y enfrían las ción llega un momento en que la canimprescindible, por suerte, para el capas más bajas de la atmósfera. El tidad de vapor contenido en la partíestudio de las nubes, que pueden des- efecto que tendría sobre la tempera- cula supera dicho máximo, lo que hace cribirse mediante la microfísica y la tura media del planeta una variación que el vapor excedente se condense dinámica. Los fenómenos eléctricos del cinco por ciento de la cobertura de alrededor de ciertos aerosoles, llamaatmosféricos dependen, por contra, de estratocúmulos sería equivalente al dos núcleos de condensación. Siempre la naturaleza de los hidrometeoros, que de la duplicación del dióxido de car- hay en la atmósfera suficientes núcleos son partículas de agua líquida o sólida bono contenido en la atmósfera. de éstos para que nunca se supere el presentes en las nubes y cuyos tamaños valor de saturación en más de un uno van de unos cuantos micrometros a o un dos por ciento. Si la temperatura La formación de las nubes varios milímetros ( véase la figura 3 ). es superior a cero grados Celsius, el La mi crofísica se dedica a describir la vapor se condensa en una multitud de evolución de los hidrometeoros. uando se contempla una fotogra- gotículas de agua líquida. Si fuese infeLa condensación, la congelación y la fía de la Tierra tomada por saté- rior a cero grados (como sucede en los solidificación del agua liberan una lite, llama la atención el aspecto orga- cirros), se formarían cristales de hielo importante cantidad de energía bajo nizado de las masas nubosas. Las por condensación sólida alrededor de
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cierta clase de aerosoles, los núcleos las de aire cálido superan el nivel de niéndose cuando se vuelve más frío de congelación. condensación al remontar la pen- que el aire circundante, lo que sucede Una partícula de aire cargada de diente fría, el vapor se condensa; la a unos dos mil metros de altura en la gotículas que continúe elevándose ter- atmósfera es entonces hidrostática- mayoría de los casos. En la cima de las minará alcanzando una zona de tem- mente estable y se observan capas de térmicas se forman pequeños cúmulos peraturas negativas. No es forzoso nubes, las nubes estratiformes. por haberse superado el nivel de conque las gotículas se condensen por La elevación espontánea produce densación. La condensación libera ello; los núcleos glacígenos que actúan nubes de tipo convectivo, como son los importantes cantidades de calor (unos a temperaturas relativamente altas cúmulos y los cumulonimbos. La con- 2500 joule por gramo de agua líquida (entre 0 y –10 grados Celsius) son vección apar ece en las condicio nes formada), lo que refuerza la convecraros, no formándose hielo más que a termodinámicas que los meteorólogos ción. temperaturas muy bajas. El promedio llaman de “inestabilidad absoluta”. Las características de la capa inesde núcleos glacígenos activos es de Las células de Bénard son un ejemplo table son, pues, las que determinan e l uno por litro de nube a –20 grados de convección obtenida calentando el tipo de nubes. Cuando la estratificaCelsius. Este número se multiplica fondo del recipiente de un fluido: la ción de la atmósfera es estable, no se por diez cada vez que la temperatura temperatura de las partes inferiores forman nubes más que en presencia disminuye cuatro grados más. En aumenta y su densidad disminuye, lo de elevaciones forzadas. El resultado cambio se forman entre cien mil y que las hace ascender como globos, son nubes estratiformes, es decir, cinco millones de gotículas de agua mientras que las situadas por encima extendidas horizontalmente. En prelíquida por condensación, siempre en se mantienen más frías y descienden sencia de inestabilidad absoluta, las un litro de nube. Luego examinaremos (véase la figura 5 ). nubes se desarrollan verticalmente, el efecto que estas diferencias tienen La convección atmosférica es fre- adoptando el aspecto de cúmulos o de sobre las precipitaciones. cuente en días soleados, cuando las cumulonimbos. Las brisas marinas La ascensión de las partículas puede capas inferiores se calientan. Apare- pueden originar tormentas a lo largo ser forzada o espontánea. Es forzada cen entonces chimeneas ascendentes, de las costas. El calentamiento del cuando el aire húmedo remonta una o “térmicas”, de las que se sirven los suelo por el sol provoca una disminucadena montañosa (véase la figura 4 ) aficionados al vuelo a vela para pla- ción de la presión atmosférica y genera y también cuando el aire cálido y near durante largas horas. Las térmi- un viento, la brisa marina. Los movihúmedo tropieza con aire frío en cas tienen diámetros de algunos cen- mientos ascendentes del aire situado terreno llano o sobre el mar, situación tenares de metros y velocidades sobre el suelo crean una zona de conen la que el aire frío penetra como una ascensionales comprendidas entre vergencia propicia a la formación de cuña por debajo del cálido, menos uno y tres metros por segundo. A capas nubosas y al desencadenadenso, y lo eleva. Es así como se for- medida que el aire sube, sufre una miento de la inestabilidad convectiva man los frentes. Cuando las partícu- dilatación adiabática y se enfría, dete- (véase la figura 6 ).
a
b
0
100
KILOMETROS
0
100 KILOMETROS
LA ATMÓSFERA
1. FRENTE FRIO procedente del Atlántico fotografiado en infrarrojo por el satélite Meteosat (a). Los colores indican las temperaturas en la cima de las nubes: rojo para las inferiores o iguales a –40 grados Celsius, violeta para +20 grados Celsius. La circulación atmosférica impone su dirección norte-sur al sistema. El mapa de ecos del radar Mélodie, de Burdeos-Mérignac, muestra células organizadas en bandas de precipitación orientadas de sur-suroeste a norte-nordeste (b). Las zonas que reflejan el radar con fuerza (precipitaciones abundantes) aparecen en naranja y las de escasa reflectividad, en violeta. Las bandas se mantenían casi inmóviles mientras que las nubes se movían hacia el norte-nordeste arrastradas por los vientos de las alturas. Esta estructura es frecuente delante de los frentes fríos. Los máxim os de eco en el centro de las células corresponden a una intensidad de precipitación en el suelo de diez milímetros por hora.
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VELOCIDAD DEL VIENTO (EN METROS POR SEGUNDO)
a
b
VELOCIDAD DEL VIENTO (EN METROS POR SEGUNDO)
N
5
5
5
5 O
E S
PLANO DE CORTE VERTICAL
PLANO DE CORTE VERTICAL INTENSIDAD DE LAS PRECIPITACIONES (MILIMETROS POR HORA)
10 KILOMETROS
10 KILOMETROS 0,5
15
VELOCIDAD DEL VIENTO (EN METROS POR SEGUNDO) 15 7,5
) S O R T A E R U M T O L L I A K N E (
c
10 KILOMETROS
0
d
15
) S O R A T E R U M T O L L A I K N E (
Las precipitaciones emos visto que las nubes se forman cuando se excede el umbral de saturación del aire respecto al vapor de agua. Pero hay un gran trecho entre la aparición de una nube y la formación de un chubasco. El radio de las gotículas de agua de una nube es de diez micrometros, mientras que el de las gotas de lluvia tiene un milímetro de promedio; un factor de cien
2
3
5
6
10 KILOMETROS
horizontales y transversales a la línea de turbonada ( flechas). En el mismo corte vertical se ha indicado el reparto de las velocidades verticales en este sistema nuboso (d). El sistema está alimentado con aire cálido y húmedo por la parte baja y por su borde este; las masas de aire lo abandonan por el oeste.
respecto al tamaño implica un factor de un millón respecto a la masa. La condensación por sí sola no explica el paso de gotícula de nube a gota de lluvia en las nubes naturales. La velocidad de crecimiento de una gotícula es proporcional a la sobresaturación del medio e inversamente proporcional a su radio. En consecuencia, siendo las gotículas numerosas, la sobresaturación se mantiene pequeña y el crecimiento por condensación es
3. LOS HIDROMETEOROS constituyen la parte visible de las nubes. Se trata de partículas de agua líquida o de hielo cuyos tamaños se escalonan entre algunos micrometros y cinco o seis milímetros, en el caso de las gotas de lluvia, y hasta de varios centímetros cuando se trata de granizo. La fotografía de la izquierda representa gotículas de niebla, cuyo diámetro medio es de 20 micrometros. La fotografía de la derecha muestra cristales de hielo de forma hexagonal obtenidos sembrando una niebla subfundida con propano.
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VELOCIDAD VERTICAL (EN METROS POR SEGUNDO)
0
2. LINEA DE TURBONADA observada con ayuda de radares Doppler embarcados en dos aviones (trayectorias azules). Dos cortes horizontales (a: a 1,5 kilómetros de altitud y b: a 5,6 kilómetros de altitud) y un corte vertical (c) muestran la intensidad de las precipitaciones (en colores) así como los vientos relativos
H
2,5 10
limitado. Cálculos realizados sobre una ascendencia en un cúmulo muestran que se necesitan unos cinco minutos para alcanzar el radio de diez micrometros y varias horas para llegar a veinte micrometros. Una gota de agua no sobrevive durante tanto tiempo en una nube, mientras que ciertos cúmulos alcanzan el estado de precipitación en menos de quince minutos. Tiene que haber, por tanto, otros mecanismos que intervengan en la formación de la lluvia. Uno de ellos podría ser la “fusión”, es decir, la aglutinación de un millón de gotículas en una gota de lluvia. La fusión se realiza en dos etapas: el choque y la soldadura. El choque es la etapa más delicada. Las gotas grandes, que caen más deprisa, tienen tendencia a capturar las gotas más pequeñas. Por desgracia, el hecho de que una gotícula se sitúe en la trayectoria de una gota más grande no implica necesariamente que choquen: la caída de la gota grande provoca un desplazamiento del aire que repele a las gotículas menores de 20 micrometros. La nube tiene que contener inicialmente algunas gotas grandes para que se produzcan choques (alrededor de una gota de más de 40 micrometros de radio por
TEMAS 12
litro) y, como hemos visto, la formación de tales gotas por condensación exige en teoría tiempos superiores a la duración de las gotículas nubosas. ¿Cómo llegan las gotículas a producir partículas de tamaño superior a 20 micrometros? Un posible mecanismo de formación se descubrió en Suecia hacia 1930; es el llamado proceso de Bergeron. Se produce cuando coexisten en la nube algunos cristales de hielo con un gran número de gotículas subfundidas. Esta coexistencia es frecuente en latitudes medias, donde la temperatura de la cima de las nubes suele ser inferior a –20 grados Celsius. Si la temperatura es ne gativa, la presión de vapor saturante sobre hielo es inferior a la presión de vapor saturante sobre el agua. Esta diferencia aumenta cuando la temperatura disminuye. En un medio que contenga mucha agua líquida y poco hielo, la fase líquida impone la presión del vapor de agua. La sobresaturación respecto al hielo se hace así importante y algunos de los cristales presentes crecen por condensación sólida. En menos de media hora se forman cristales de hielo de alrededor de un milímetro de diámetro. La masa de los cristales de este tamaño equivale a la de una gota de llovizna de unos cien micrometros de diámetro. Su velocidad de caída (varios decímetros por segundo) es suficiente para capturar gotículas de agua subfundida, con formación de granizo, o para aglutinarse con otros cristales (formación de un copo de nieve), con lo que se alcanza la masa de una gota de lluvia media. Si la partícula de hielo llegase a una región donde la temperatura sea positiva, se fundirá y se transformará en gota de lluvia. Si continuase a temperatura negativa, llegará al suelo en forma cristalina, como bola de granizo o copo de nieve. Cuando actúa el proceso de Bergeron, un solo cristal por litro basta para ocasionar precipitaciones importantes en el suelo.
La formación de cristales de hielo
E
ste tipo de precipitaciones son frecuentes en invierno, precediendo a los frentes fríos que atraviesan nuestra geografía. Desde que empezó a utilizarse el radar meteorológico se de tectaron células generatrices, características de los procesos de Bergeron (véase la figura 7 ). Las cimas de las células están a temperaturas ba jas, favorables al crecimiento rápido de los cristales de hielo, en un medio donde
LA ATMÓSFERA
NUBE CONVECTIVA
AIRE ENFRIADO Y SATURADO
AIRE CALIDO Y HUMEDO
4. FORMACION DE UNA NUBE por elevación forzada sobre el relieve. El aire cálido y húmedo es obligado a elevarse a lo largo de la pendiente. A cierta altitud, se satura de vapor de agua, que se condensa y forma una nube. Si el ascenso del aire se hace inestable, se forma una nube convectiva.
las gotículas subfundidas controlan la presión de vapor saturante. Los radares meteorológicos detectan muy bien los cristales así formados cuando su diámetro supera algunos centenares de micrometros y su número alcanza un cristal por litro. Las trayectorias de estas precipitaciones en formación aparecen como regueros oblicuos en la pantalla del radar, condicionados por las variaciones del viento en función de la altitud. Los ecos de radar se intensifican a lo largo de algunas centenas de metros por debajo de la isoterma de cero grados Celsius en las nubes estratiformes, en corte vertical. Es lo que se llama la “banda brillante”: los cristales se funden y la película de agua que los recubre aumenta su poder reflector. Durante mucho tiempo se creyó que los procesos de Bergeron bastaban para explicar la formación de las precipitaciones. Pero se ha observado que también se produce lluvia en cúmulos de las regiones tropicales en los que toda la nube está por encima de cero grados Celsius. Los hidrometeoros de tales nubes no pueden crecer más que por procesos de condensación y captura. Se ha tratado de explicar la formación de las gotas iniciadoras, de más de 40 micrometros de diámetro, mediante la presencia de núcleos de condensación gigantes, de campos eléctricos o de microturbulencia, tentativas que han sido vanas. Trabajos recientes de J.-L. Brenguier, del Centro Nacional de Investi ga ciones Meteorológicas francés, muestran que las condiciones de sobresaturación de una misma partícula de aire fluctúan a lo largo de cortas distancias. Cada gotícula, dependiendo de su trayectoria, evoluciona de forma diferente; estas diferencias explican por qué se observan tamaños de gotas bastante distintos de lo previsto por la teoría de la condensación de las gotículas, y no
excluyen la presencia de gotas de tamaño superior a 20 micrometros. Algún progreso se ha logrado gracias a abundantes observaciones de las nubes realizadas con ayuda de sondas aerotransportadas, unidas a medidas más clásicas de temperatura, humedad y velocidades verticales y horizontales. Pero hay fenómenos que siguen sin conocerse bien, como sucede con la formación del hielo. Experimentos realizados sobre todo en los Estados Unidos y en Australia han puesto de manifiesto concentraciones de cristales más de mil veces superiores a las de núcleos de congelación. También se han comprobado glaciaciones rápidas y generalizadas en las cimas de cúmulos bien desarro-
CALENTAMIENTO
5. LAS CELULAS DE BENARD son un ejemplo de movimiento convectivo. Se las reproduce en el laboratorio calentando el fondo de un recipiente que contenga un fluido. A partir de una cierta temperatura, se observa una yuxtaposición de células poligonales (arriba). La periferia de las células corresponde a zonas de ascendencia y el centro (en color oscuro ), a las de descenso.
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RADIACION SOLAR
CALENTAMIENTO RAPIDO
CALENTAMIENTO LENTO
TIERRA
ASCENSO DEL AIRE CALIDO EN TIERRA FIRME
MAR
CREACION DE UNA ZONA DE CONVERGENCIA SOBRE LA COSTA
llados. Existen, pues, procesos de multiplicación capaces de producir grandes cantidades de cristales sin núcleos glacígenos. Este fenómeno sería raro en las nubes continentales y frecuente en las marítimas de bastante edad que contuvieran grandes gotas de agua. Según los estudios llevados a cabo en el laboratorio, esta multiplicación rápida de los cristales de hielo resultaría del estallido y la congelación de las gotículas al chocar con partículas de nieve o de granizo. Disponer de una buena descripción de los mecanismos de formación del hielo resulta capital por varias razones. Se sabe que la glaciación desempeña un papel determinante en la formación de las precipitaciones. Proporciona también, en ciertos casos, una energía suplementaria a las nubes bajo forma de calor. Finalmente, la glaciación controla en buena medida el reparto de las cargas eléctricas en el seno de las nubes.
La dinámica de las nubes
U
no de los primeros estudios de mecanismos tormentosos por medio del radar, el Thunderstorm Project, ejecutado a finales de los años cuarenta en Florida y en Ohio, logró establecer una descripción detallada de las células convectivas. Se ocupó especialmente de las tormentas llaBRISA DE MAR madas de “masa de aire”, que se producen en verano, en masas de aire inestables y en situación meteorológica no perturbada. Están formadas FLUJO DESCENDENTE por varias células elementales que se desarrollan y desaparecen sucesivamente. Una tal célula evoluciona a lo largo de tres etapas: la de cúmulo, la de madurez y la de disipación ( véase la figura 8). El ciclo total dura unos treinta minutos, durante los cuales el diámetro de la célula no sobrepasa lo s diez kilómetros. Las tormentas más devastadoras NUBES proceden de una estructura convectiva más amplia, la “supercélula”, que perdura durante varias horas y se extiende a lo largo de medio centenar de kilómetros. La circulación del aire FLUJO ASCENDENTE en ella es estacionaria, mientras que los flujos ascendentes y descendentes se refuerzan mutuamente (véase la 6. LA BRISA DE MAR se produce por el calentamiento solar de la tierra. El suelo se calienta más deprisa que el agua y transmite una parte de su calor a las capas bajas figura 9 ). La descripción de este tipo del aire (arriba). El calentamiento del aire reduce la presión atmosférica sobre el de tormenta se ha afinado al cabo de continente y, por consiguiente, aspira aire marino (centro). El resultado es una zona los años, en particular como consede convergencia y la aparición de un flujo ascendente encima de la costa. Estos mocuencia de análisis detallados de datos vimientos se compensan por la formación de otro descendente encima del agua. Las de radar y gracias a los trabajos de K. velocidades ascensionales, aun si son pequeñas, bastan para elevar el aire hasta el Browning y de G. Foote. nivel de condensación y dar lugar a la formación de nubes a lo largo de la costa (abaLa imagen de radar de una super jo). Si el aire es inestable, las nubes son de tipo convectivo. Pueden observarse entoncélula es característica. La parte ces velocidades verticales importantes en algunos puntos concretos. La situación se invierte tras la puesta del Sol, formándose las nubes encima del mar. ascendente está señalada por una
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TEMAS 12
zona de ecos débiles rodeada de ecos muy intensos. La velocidad hacia arriba es tan grande que las gotículas no tienen tiempo de alcanzar un tamaño apreciable; ni la lluvia ni el granizo penetran allí, pues son rechazados hacia las alturas o hacia los lados. No se encierra en ella ningún objeto susceptible de producir ecos de radar importantes. Los grandes hidrometeoros confinados a su alrededor provocan, en cambio, ecos intensos que dibujan una vasta bóveda. Las supercélulas se originan en condiciones meteorológicas precisas, caracterizadas por la presencia de una fuerte cizalladura vertical del viento horizontal, la existencia de aire cálido y húmedo cerca del suelo y de aire seco en las alturas. Los vientos exteriores, perturbados por la nube que les cierra el camino, dan lugar a movimientos verticales en su periferia y refuerzan la convección. Cuando aumentan con la altura, el flujo ascendente se inclina y las precipitaciones se alejan. Parte de esas precipitaciones se evapora y humedece el aire circundante. Esta evaporación consume calor, lo que
enfría el aire de alrededor y lo hace cada una de ellas asociada a una más pesado. Cuanto más seco esté corriente de aire ascendente en la que inicialmente este aire, tanto más se se forman las precipitaciones. La disienfriará y aumentará de densidad. Al pación de las células más antiguas llegar cerca del suelo, el aire frío se queda sistemáticamente compensada extiende y encuentra al aire cálido y por el nacimiento de otras nuevas; así, húmedo que alimenta la nube. En los el sistema perdura varias horas y da casos extremos, la diferencia de tem- lugar a fenómenos frecuentemente peratura alcanza una decena de gra- más violentos que las tormentas ordidos. El pseudofrente frío así formado narias. Se han estudiado mucho estos refuerza todavía más el flujo ascen- sistemas. Laboratorios franceses y de dente. El granizo se forma a gran Costa del Marfil observaron la estrucaltura en este tipo de tormentas, en la tura de las líneas de turbonada que parte de la bóveda que precede al fluj o afectan a las regiones tropicales ascendente. Los granizos dan vueltas durante la experiencia COPT81. Estos antes de ser impulsados hacia atrás y sistemas abarcan mil kilómetros de proyectados hacia el suelo. Es muy longitud y entre trescientos y cuatroprobable que la zona de formación de cientos kilómetros de anchura. En su granizo sea pequeña, razón por la que parte anterior están formados por los diversos métodos utilizados para varias decenas de células convectivas combatirlo (siembra de nubes, cohetes renovadas sin cesar, mientras que en antigranizo) tienen un efecto casi nulo la posterior forman un gran yunque sobre la evolución de las tormentas estratiforme. Estas estructuras se supercelulares. mueven a lo largo de miles de kilóme Alg unas torme ntas con stitu yen tros en varios días. En las regiones vasto s conjuntos nubosos: sistemas casi desérticas del Africa subsahemulticelulares, complejos convectivos, liana, las líneas de turbonada proporlíneas de turbonada, etc. Estos siste- cionan la mayor parte de las precipimas comportan células convectivas, taciones.
CIMA DE LAS NUBES (LIMITE VISUAL)
CELULAS GENERATRICES
6000
VARIACION DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO
CRECIMIENTO DE LOS HIDROMETEOROS POR EFECTO BERGERON
–20 C
5000 LIMITE DE LOS ECOS DETECTADOS POR RADAR
) S O R 4000 T E M N E ( A 3000 R U T L A
TRAYECTORIA DE LOS HIDROMETEOROS
CRECIMIENTO DE LOS HIDROMETEOROS POR SOLDADURA
2000
ESTELA DE LAS PRECIPITACIONES 0C BASE DE LAS NUBES
1000 LIMITE DE LAS PRECIPITACIONES
LLUVIA 0 FORMACION DE LAS PRECIPITACIONES
7. FORMACION DE PRECIPITACIONES en una nube de tipo nimboestrato. Los nimboestratos aparecen frecuentemente en latitudes medias delante de los frentes fríos. Los cristales se forman a temperaturas muy bajas, en pequeñas células convectivas (las células generatrices) que culminan las nubes estratiformes. Después crecen rápidamente en un medio rico en gotículas subfundidas que imponen una presión de vapor de agua netamente superior a la presión de vapor saturante respecto al hielo (izquierda). Cuando estos cristales son suficientemente grandes para adquirir una velocidad de
LA ATMÓSFERA
ECOS DE RADAR
caída apreciable, crecen por soldadura de gotas o de cristales en suspensión. Al pasar la isoterma de cero grados Celsius, se funden y se transforman en gotas de lluvia. Esta evolución de los hidrometeoros explica la estructura de los ecos de radar obtenida en estas nubes (derecha). Así, la isoterma de cero grados Celsius está marcada por una banda brillante correspondiente a un aumento de la reflectividad radárica debida a la fusión parcial de los cristales de hielo. El perfil vertical del viento determina la forma de las estelas de precipitación.
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Los sistemas frontales son estructuras todavía más vastas, visibles en las imágenes retransmitidas por satélites meteorológicos. Tienen forma de lambda coronada por un arrollamiento. Los sistemas frontales se organizan como consecuencia de vastas circulaciones; resultan de los fuertes gradientes de temperatura que existen entre el ecuador y los polos. Para comprender los sistemas frontales y mejorar la previsión de las tormentas que producen, se preparó una experiencia internacional designada FASTEX ( Fronts and Atlantic Storm Track Experiment), que tuvo lugar en enero y febrero de 1997 en el Atlántico Norte.
La modificación del tiempo
L
a modificación del tiempo es un viejo sueño. Para defenderse contra los desastres atmosféricos, el hombre comenzó por dirigir sus armas contra el cielo. Herodoto cuenta que los tracios lanzaban flechas contra las tormentas “para amenazarlas y hacer cesar las perturbaciones atmosféricas”. Desde su invención, la artillería ha combatido el granizo. A comienzos de siglo se instalaron en Francia redes de gigantescos pararrayos a fin de
extraer la electricidad de las tormentas, a la que se consideraba responsable del granizo; era el método del “Niágara eléctrico”. No dio mejor resultado que las campanas de sonido granífugo. Se han utilizado también gotículas de agua para iniciar la coalescencia, sal triturada para crear núcleos de condensación gigantes, obuses para agitar las nubes y numerosos otros medios. Esta breve enumeración muestra que el hombre ha gastado considerables energías para defenderse contra el granizo y para aumentar la precipitación. Cierto número de iluminados y de charlatanes se han aprovechado de estas tentativas. El aumento de nuestra comprensión de los mecanismos de formación y evolución de las nubes y de las precipitaciones no ha modificado, por desgracia, esta situación. En muchas regiones del mundo se continúa sembrando las nubes sin evaluar los resultados eventuales, reemplazando simplemente la pólvora de los proyectiles o el humo de los fuegos de paja por el yoduro de plata o las partículas higroscópicas. El agente que más se utiliza en las operaciones tendentes a aumentar la lluvia o reducir el granizo es el yoduro de plata. En noviembre de 1946, en los
VIENTO LIMITE DE LA TROPOPAUSA YUNQUE
PRECIPITACIONES
ETAPA DE CUMULO
ETAPA DE MADUREZ
ETAPA DE DISIPACION
8. LA TORMENTA DE MASA DE AIRE está constituida por células convectivas de vida corta (unos treinta minutos). Evoluciona en tres etapas. Durante la fase de desarrollo, la organización dinámica evoca una célula de Bénard, con una parte ascendente central húmeda rodeada por una región descendente de aire limpio; es la etapa de cúmulo. La cima de la nube se eleva a razón de unos diez metros por segundo y las velocidades verticales en el seno de la ascendencia pueden llegar a los veinte metros por segundo. Las velocidades descendentes del aire claro que rodea la nube son mucho menores. La segunda etapa (etapa de madurez) est á asociada a la lluvia, que crea una fuerte corriente descendente: el aire es arrastrado hacia abajo tanto por el peso de los hidrometeoros en suspensión como por el enfriamiento debido a la evaporación parcial de las gotas. La cima de la nube alcanza entonces la tropopausa, a casi veinte kilómetros de altura en los trópicos y a unos diez en nuestras latitudes. Durante la tercera etapa (la de disipación) la zona descendente ocupa prácticamente todo el volumen de la célula y corta su alimentación de vapor de agua. La cima de la nube se estrella contra la tropopausa y se extiende en forma de yunque bajo el efecto de los fuertes vientos presentes en las alturas. La nube pierde vigor y se disipa.
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laboratorios de la General Electric, en los Estados Unidos, Bernard Vonnegut descubrió que el humo de yoduro de plata tenía un excelente poder glacígeno en las nubes cuya temperatura fuese inferior a –5 grados Celsius. Mostró que con esta substancia era posible producir una gran cantidad de núcleos glacígenos (hasta 1014 núcleos por gramo de yoduro de plata). Casi al mismo tiempo, Shaeffer lanzó desde un avión nieve carbónica sobre estratocúmulos, con el resultado espectacular de que las nubes se disipasen y cayese nieve. Dos años más tarde, la General Electric consiguió un resultado similar empleando yoduro de plata. La posibilidad de actuar sobre la formación de hielo en las nubes quedaba así demostrada. Las experiencias de modificación del tiempo realizadas desde entonces se cuentan por centenares. Se ha tratado de eliminar las nieblas, de disminuir las nefastas consecuencias del granizo y de provocar lluvias sobre regiones áridas o desérticas. Sin ninguna duda, se sabe hoy disipar localmente las nieblas subfundidas; varios aeropuertos han recurrido al procedimiento. Las experiencias dirigidas a aumentar la lluvia y a disminuir el granizo son menos convincentes. Para incrementar las cantidades de lluvia, se ha pensado en tres operaciones. La primera consiste en desencadenar el proceso de aglutinación inyectando grandes núcleos de condensación o gotas de agua que capturen las gotículas suspendidas en la nube. El segundo método se dirige a suscitar el proceso Bergeron mediante la introducción de algunos cristales de hielo en un medio poblado de gotículas de agua subfundida. El tercero tiende a provocar una glaciación masiva de la cima de la nube introduciendo allí grandes cantidades de yoduro de plata o de nieve carbónica; es el método llamado de “siembra dinámica”, consistente en estimular el desarrollo vertical de la nube liberando el calor latente de congelación. La evaluación de las modificaciones obtenidas en el área de siembra es difícil: el comportamiento de los sistemas afectados es variado, las situaciones favorables son raras y, sobre todo, los métodos utilizados son poco o nada eficaces. Son raros los testimonios que resisten a las críticas de los expertos. Sólo mencionaremos aquí dos experiencias antiguas: el proyecto Whitetop, realizado en los Estados Unidos, en Missouri, entre 1960 y 1964, y una de las experiencias israelíes que se desarrollaron entre 1961 y 1967. Brevemente, el proyecto Whitetop trató de incrementar las precipitacio-
TEMAS 12
) S O R D T U E T I M T N L E A (
MOVIMIENTO DE LA TORMENTA
LIMITE VISUAL DE LA NUBE
LIMITE DE LOS ECOS DETECTADOS POR EL RADAR
15.000
BOVEDA 10.000 AIRE SECO
ZONA DE FORMACION DEL GRANIZO
5000
O J U F L
LLUVIA Y GRANIZO 0 -20 -10
0
10
20
30
40
50
0
10
VIENTO MEDIO MEDIDO RESPECTO A LA TORMENTA (EN METROS PAR SEGUNDO)
9. LA SUPERCELULA produce una tormenta devastadora que se mueve a lo largo de centenares de kilómetros. El aire cálido y húmedo que proviene de las capas bajas de la atmósfera sube hacia la cima de la nube. En el curso de su ascensión, los hidrometeoros no tienen tiempo de crecer: los ecos de radar (en gris) se mantienen débiles. Las partículas líquidas o sólidas son expulsadas hacia la cima o a los lados de la zona ascendente, que está rodeada de ecos intensos que forman una bóveda. Los hidrometeoros líquidos se congelan en la cima de esta bóveda y los que caen hacia delante son de nuevo capturados por el flujo ascendente. En esta región, situada en la
nes procedentes de cúmulos estivales. La siembra se realizaba mediante un avión equipado con quemadores de yoduro de plata. Entre los numerosos análisis estadísticos efectuados con los datos obtenidos, los hay que indican un resultado incierto, pero la mayoría muestra una disminución de las precipitaciones de entre un veinte y un sesenta por ciento. Las nubes sembradas eran del tipo marítimo y la soldadura tenía allí probablemente un papel importante en la formación de la lluvia; ahora bien, la multiplicación de núcleos de condensación perturba la soldadura, lo que explicaría este resultado negativo. La experiencia israelí se refirió a nubes de tipo continental, en las que abundan más los núcleos de condensación, por lo que la soldadura y la multiplicación del hielo hubieran tenido que desempeñar un papel más secundario. Un avión dispersaba yoduro de plata viento arriba de la zona de medida. Las precipitaciones de las nubes sembradas fueron un quince por ciento más abundantes que las de las nubes no sembradas. Este resultado es significativo, por lo que
LA ATMÓSFERA
TRAYECTORIA DEL GRANIZO
F R E N T E F R I O 20
AIRE CALIDO Y HUMEDO
30
40
50
DISTANCIA (KILOMETROS)
parte delantera de la supercélula (zona embrionaria) , es donde se forma el granizo. Los movimientos probables de los granos de hielo reproducen la forma de la bóveda. Los hidrometeoros que escapan hacia la parte posterior del fl ujo ascendente llegan al suelo en forma de lluvia o de granizo. Su evaporación parcial en contacto con el aire seco de las alturas ( flecha azul ) enfría el aire y refuerza el vigor de la corriente descendente (verde). Al llegar a la proximidad del suelo, esta corriente se extiende y engendra un pseudofrente frío, que obstaculiza el paso del aire cálido y húmedo, lo rechaza hacia la zona ascendente y refuerza la convección.
parece posible un aumento de las precipitaciones de entre un diez y un veinte por ciento. Por desgracia los resultados obtenidos en Israel no se han podido reproducir en ninguna otra parte del mundo. La mayoría de los intentos de reducir las precipitaciones de granizo aprovecha la competencia que se da entre las partículas individuales mientras crecen. Se supone que la adición de núcleos glacígenos limita la cantidad de agua captada por cada bolita, lo que origina un mayor número de ellas, pero más pequeñas, por lo que caen con menos velocidad y se funden parcialmente antes de llegar al suelo. El Nationa l Hail Resea rch Expe riment puso a prueba la credibilidad de estos resultados en los años setenta, mediante un programa de investigaciones sobre el granizo en Colorado, Estados Unidos. Después de tres años de intensa actuación, el resultado de las siembras continúa siendo incierto. Las granizadas de Colorado provienen esencialmente de supercélulas: el granizo se forma en las alturas, delante de la zona de ascendencia. Una siembra de esta región sería eficaz a con-
dición de ser muy abundante; si fuese insuficiente, se corre el riesgo de aumentar las cantidades de granizo. Pero resulta que no se conoce ninguna técnica lo suficientemente precisa para evitar la dispersión de los núcleos glacígenos. Las siembras se suspendieron en 1975, pues el resultado global de la experiencia había sido más granizo y menos lluvia, temiéndose una disminución de las precipitaciones en estas regiones áridas. El impacto económico de la sequía sería mayor que el del granizo. Estos malos resultados se vieron confirmados por los de la experiencia Grossversuch, efectuada en Suiza entre 1977 y 1981. Después de estas vanas tentativas para modificar el tiempo, la comunidad científica se mantiene prudente. Está claro que se necesita una mejor comprensión de los mecanismos implicados y mayor refinamiento de los métodos de siembra. Nuevas técnicas de observación y de simulación nos ayudarán a hacer justicia a las nubes en la predicción de las precipitaciones, en el estudio del balance radiativo del planeta y en la comprensión de las evoluciones climáticas.
31
La aurora dinámica Syun-Ichi Akasofu Las interacciones entre el campo magnético de la Tierra y el viento solar crean un enorme generador que produce manifestaciones luminosas. Procesos similares dominan probablemente otros fenómenos astrofísicos
lgunos de los primeros obser- posibilidad de desarrollar un método Hones, Jr.; INVESTIGACIÓN Y CIENCIA , vadores de las auroras borea- de cálculo por ordenador para predecir mayo de 1986]. les imaginaron que estas la intensidad de la actividad auroral. A principios de los años sesenta se espectaculares manifestaciones del Las auroras intensas entorpecen las empezó a reconocer que el viento solar cielo ártico debíanse a la luz del Sol comunicaciones por radio y por saté- podía extender el campo magnético refractada por la atmósfera, como lite, así como las líneas de suministro coronal, llevándolo hasta los confines sucede con el arco iris. El movimiento eléctrico y algunos sistemas de defensa. del sistema solar. Esta extensión del del aire, especulaban, provocaba las Esta es la razón de que la capacidad de campo magnético del Sol se llama ondulaciones brillantes. Ahora sabe- predecir la intensidad auroral haya campo magnético interplanetario. mos que son luces emitidas a conse- adquirido una importancia creciente a James W. Dungey propuso que este cuencia del choque entre los electro- medida que la actividad humana se ha campo magnético podría unirse con nes procedentes del Sol y los áto mos y ido expandiendo hacia las regiones las líneas del campo geomagnético moléculas de la ionosfera. El movi- polares y el espacio. originadas en la región polar de la miento aparente de la cortina auroral Tierra. Tal fenómeno de reconexión no se debe a turbulencias atmosférimagnética, que es como se llama, se Un generador cas, sino a cambios en las condiciones desarrolla mejor cuando el campo electromagnéticas que impulsan las magnético del viento solar está orienen la magnetosfera partículas cargadas, lo mismo que el tado hacia el sur, es decir, se muestra l conocimiento de la generación de movimiento que se muestra en una antiparalelo al campo terrestre. pantalla de televisión es una ilusión las auroras llegó tras una revoluSe pensó que la reconexión tenía creada por cambios en el campo mag- ción en la explicación científica del que ser un proceso estable hasta que nético que dirige los electrones desde entorno magnético de la Tierra. Christopher T. Russell demostró lo el cañón catódico hasta la pantalla. Durante mucho tiempo se había contrario hace ya tiempo. En efecto, En el caso de la aurora, ¿qué es lo supuesto que el campo magnético se forman “paquetes” o “cuerdas” de que sirve de cátodo? ¿Dónde está el terrestre era esencialmente dipolar, líneas de campo que, andando el suministro de potencia? ¿Por qué esa como el de una barra magnética, cuyas tiempo, se separan de la magnetosfera potencia parece fluctuar de cuando en líneas de campo forman bucles desde y se dejan arrastrar hacia el interior cuando, haciendo que la aurora se el polo sur hasta el polo norte, que son de la cola magnética. Las inestabilidesplace a través del cielo polar? Hace simétricos respecto del eje geomagné- dades ocurren aun cuando el campo tiempo que se determinó que las emi- tico. Pero la Tierra no se mueve en el magnético interplanetario posea una siones aurorales ocurrían porque la vacío, sino que recibe constantemente orientación constante hacia el sur. La ionosfera sufría el bombardeo de haces el influjo del viento solar, un plasma verdad es que el campo magn ético de electrones generados en una inte- diluido de iones de hidrógeno, es decir, interplanetario cambia constanteracción compleja entre el viento solar de protones y de electrones que fluyen mente de intensidad y de dirección. y la envoltura magnética de la Tierra. desde la corona solar. Lou Chuang Lee aclaró estos procesos La naturaleza geomagnética de la El viento solar confina el campo mag- complejos mediante una simulación aurora puede verse claramente desde nético de la Tierra dentro de un volu- por ordenador. el espacio exterior. Una característica men que tiene forma de cometa: la mag A medida que las partículas del permanente de nuestro planeta son netosfera. Por el lado que mira hacia el viento solar fluyen por el contorno de sendos óvalos luminosos centrados en Sol, el viento comprime la magnetos- la magnetosfera (la magnetopausa), cada uno de los polos geomagnéticos. fera hasta unos diez radios terrestres atraviesan las líneas del campo magEl que rodea el polo norte es la aurora de distancia. En el lado contrario la nético reconectadas. Los iones y los boreal. Su contrapartida sureña es la magnetosfera queda confinada en una electrones, que tienen cargas eléctriaurora austral. estructura que tiene forma de cono cas opuestas, se desvían en direccioSe ha encontrado una relación numé- truncado, la cola del campo magnético, nes contrarias (según la familiar regla rica entre el viento solar y la genera- o cola magnética, que se extiende a más de la mano derecha), generando una ción de potencia que induce la aurora de mil radios terrestres. La magnetos- corriente eléctrica ( véase la figura y otras perturbaciones del campo fera está llena de plasmas tenues de 3). geomagnético. Y estamos empezando a distinta densidad y temperatura que se Este proceso es el mismo que genera conocer mejor la manera en que la acti- originan a partir del viento solar y de potencia por la vía magnetohidrodiná vidad del Sol afecta al viento solar. la ionosfera [véase “La cola del campo mica. La verdad es que la magnetoEste avance suscita la interesante magnético terrestre”, por Edward W. pausa entera constituye un generador
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gigante que convierte la energía cinética de las partículas del viento solar en energía eléctrica, produciendo más de un millón de megawatt de potencia. A este mecanismo se le llama generador “viento solar-magnetosfera”, o generador auroral. El mecanismo generador lleva los iones positivos hacia el lado del amanecer del plano ecuatorial de la magnetopausa, creando un terminal positivo; los electrones son conducidos hacia el lado del anochecer, o te rminal negativo. En plasmas poco densos y penetrados por las líneas de campo magnético, tales como las que llenan la magnetosfera, los electrones recorren trayectorias similares a un sacacorchos, enroscándose alrededor de
las líneas de campo. El proceso por el del óvalo auroral, mientras que la cara cual se generan las “corrientes alinea- del anochecer de la magnetopausa se das con el campo” ha sido explicado en proyecta hacia la mitad del anochecer detalle por Akira Hasegawa y otros del óvalo. La cara del alba del óvalo se investigadores. Thomas A. Potemra y vuelve, entonces, eléctricamente posiTakesi Iijima han confirmado, entre tiva, y la cara del crepúsculo, eléctricaotros, la existencia de corrientes mente negativa. La caída de potencial mediante el uso de magnetómetros o diferencia de voltaje a través del óvalo es de unos cien kilovolt. instalados a bordo de satélites. Las corrientes alineadas se deben más a los electrones que a los protones, por ser aquéllos más móviles. En Corrientes alineadas con el campo la situación descrita las corrientes de electrones fluyen hacia abajo, hacia la as corrientes alineadas con el cam- mitad del crepúsculo del óvalo, y hacia po conectan la magnetopausa con arriba desde la mitad del amanecer. la ionosfera. La cara del amanecer de Como las auroras se producen cuando la magnetopausa se proyecta, por este los electrones chocan en la ionosfera, motivo, hacia la mitad del amanecer podría muy bien preguntarse: ¿por
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1. EN EL CIELO DEL ATARDECER sobre Fairbanks, Alaska, aparece un “oleaje” que se dirige hacia el oeste a lo largo de una aurora activa. La luz blanquecina se debe a átomos de oxígeno. Las moléculas de nitrógeno ionizadas producen la luz rosa, cerca de la franja inferior de la cortina. A la izquierda se ve una imagen en falso color del óvalo auroral situado sobre el polo norte. La imagen fue tomada por el satélite Dinamics Explorer, desde una distancia de tres radios terrestres. Muestra emisiones de átomos de oxígeno en una longitud de onda de 130 nanómetros. El cuarto creciente brillante, a la izquierda, corresponde al lado diurno de la Tierra.
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qué hay emisiones en la cara del ama- de menor energía y los iones se com- aurora es sorprendentemente activa necer del óvalo? En la ionosfera el binan con electrones libres. en el lado iluminado por el Sol, a óvalo es óptimo conductor y, por tanto, menudo más activa que en el oscuro. fluye corriente entre sus límites inteDesde el suelo, la aurora semeja una ¿Por qué en forma rior y exterior. La corriente cursa cortina de luz listada de rayos. La entonces hacia atrás, a lo largo de las de cortina? cortina comienza a una altura de líneas de campo magnético, produ varios cientos de kilómetros y termina ciendo una corriente secundaria que a más común de las emisiones a unos cien kilómetros sobre el suelo, apunta en la dirección opuesta a la de aurorales es una luz verde blan- donde la atmósfera se hace tan densa la primaria. Las corrientes secunda- quecina, con una longitud de onda de que detiene la mayoría de los electrorias de electrones producen emisiones 557,7 nanómetros, que emiten los áto- nes incidentes. La lámina, que tiene aurorales en el lado del amanecer. mos de oxígeno. La hermosa emisión menos de un kilómetro de grosor, se Las luces aurorales se generan rosa proviene de moléculas excitadas extiende lateralmente miles de kilócuando los haces de electrones que se de nitrógeno. Varios átomos y molécu- metros. ¿Cómo explicar este fenóacercan chocan enérgicamente con la las comunes producen emisiones auro- meno? No deja de llamar la atención ionosfera, excitando o ionizando áto- rales en el ultravioleta extremo, el que las corrientes de electrones alimos y rompiendo moléculas para crear ultravioleta y longitudes de onda in- neadas con el campo sean capaces de otros átomos excitados. Los átomos frarrojas, pero éstas no pueden obser- alcanzar la baja ionosfera. Como excitados y ionizados emiten radia- varse desde desde tierra tierra porque porque son son absorbiabsorbi- sucede en el caso de otras partículas ción en un amplio rango espectral das por la atmósfera interpuesta. cargadas de los cinturones de radia(desde el ultravioleta lejano al inLas imágenes de emisiones en el ción de Van Allen, la pendiente del frarrojo), a medida que los electrones ultravioleta extremo tomadas por el movimiento helicoidal de los electroexcitados van cayendo hacia estados satélite sueco Viking muestran que la nes tiende a incrementarse a medida
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2. LLAMAMOS VIENTO SOLAR a un plasma difuso de protones y electrones que fluye desde el Sol y confina el campo magnético terrestre en una cavidad en forma de cometa: la magnetosfera. El viento comprime la magnetosfera por el lado diurno hasta una distancia de unos diez radios terrestres. Por el lado nocturno arrastra el campo magnético de la Tierra dándole una forma alargada, la cola mag-
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nética, que se extiende hasta más allá de mil radios terrestres. El limite de la cola se llama magnetopausa. El viento solar tiene un campo magnético (rojo), que, cuando se dirige hacia el sur, como se muestra aquí, puede “reconectarse” eficazmente con el campo magnético terrestre ( azul). Las partículas del viento solar fluyen hacia el interior de la magnetosfera por las líneas de campo reconec-
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