Download Presentación de PowerPoint

CAPÍTULO 4
METEOROLOGÍA
1.1 INTRODUCCIÓN A LA
METEOROLOGÍA
La meteorología es la “ciencia que estudia los fenómenos y
procesos físicos que tienen lugar en la atmósfera”. Dichos
fenómenos y procesos físicos se refieren a una gran variedad de
procesos, entre otros, el movimiento de la atmósfera (meteorología
dinámica), la interacción con los flujos de energía solar (radiación
solar), los procesos termodinámicos que llevan a la formación de las
nubes y la generación de la precipitación en cualquiera de sus
formas (lluvia, nieve y granizo), los intercambios de energía con la
superficie (transportes de calor y vapor de agua), y las reacciones
químicas (como la formación de la capa de ozono).
Por otra parte, la climatología es la “rama de la meteorología que
estudia la evolución de las condiciones medias de la atmósfera en
periodos relativamente largos”, entre ellos los cambios que ocurren
en periodos de décadas o de siglos. La climatología estudia, pues,
los promedios de los valores meteorológicos durante el largo
tiempo necesario para establecer los distintos tipos de climas de
cada región terrestre.
1.2. COMPOSICIÓN Y
ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA
Se llama atmósfera a la masa gaseosa que
envuelve a la Tierra y que, debido a la fuerza de
gravedad, se concentra en su superficie y gira
con ella. Está constituida por una mezcla de
gases que se concentran principalmente en las
zonas inferiores, entre los que se encuentran el
nitrógeno, el oxígeno y el argón, los cuales
constituyen el 99.95% del volumen atmosférico,
además de trazas de otros gases. El nitrógeno y
el argón son gases químicamente inertes, lo que
implica que permanecen en la atmósfera sin
reaccionar, pero el oxígeno es muy reactivo. Los
restantes gases se encuentran en cantidades
muy pequeñas que se expresan en volumen en
partes por millón (ppm) o partes por billón
(ppb).
La atmósfera se puede dividir en las siguientes partes en función de las variaciones
de temperatura con la altura de un lugar a otro:
• Troposfera: es la capa más baja que se extiende desde la superficie terrestre hasta los 18
km de altura en el ecuador, hasta los 13 km en latitudes medias y a 8 km sobre los polos.
Es la capa donde se desarrollan la vida y los principales fenómenos meteorológicos, como
las nubes
• Estratosfera: se extiende aproximadamente hasta los 50 km de altura. La temperatura
comienza a aumentar con la altura hasta alcanzar –10°C, fenómeno que se atribuye a la
presencia del ozono. La gran absorción de rayos ultravioleta que tiene lugar aquí explica la
elevación considerable de la temperatura en esta capa.
• Mesosfera: es una capa en que la temperatura vuelve a disminuir con la altura, y se
extiende hasta los 80 km, altitud a la que se observa un nuevo cambio en la variación de la
temperatura con la altura hasta alcanzar –140°C. La densidad del aire en la mesosfera es
mínima, pues allí la presión varía entre 1 mb y 0.01 mb.
• Termosfera: es la última capa, que se extiende hasta varios cientos de kilómetros de
altitud, presentando temperaturas crecientes (hasta 1 000ºC). A esta temperatura, la poca
cantidad de gases componentes de esta capa se encuentran ionizados.
1.3. RADIACIÓN SOLAR
El Sol emite una amplia gama de radiación electromagnética de la
cual, para los efectos de aprovechamiento de energía, sólo es
importante la radiación térmica que incluye, a su vez, la radiación
ultravioleta (UV), la radiación visible (VIS) y la radiación infrarroja
(IR). Este fenómeno físico se conoce como radiación solar o
irradiación, y es responsable de que el planeta Tierra reciba en el
borde superior de la atmósfera un máximo energético (constante)
de 1 368 W/m2. Esta cantidad total de energía se dispersa y
redistribuye en toda el área de la esfera terrestre. La cantidad de
energía que incide sobre un punto es máxima donde la radiación
incidente es perpendicular a la superficie terrestre. La radiación
solar, como ya se expresó es una radiación electromagnética, se
propaga en el espacio en forma de ondas que se caracterizan por
sus parámetros de longitud (λ) y frecuencia (ν), relacionados
mediante la ecuación:
λ∙ν=c
en la cual c es la velocidad de la luz, 300 000 km/s.
1.4. VARIABLES
METEOROLÓGICAS
Las principales variables atmosféricas son la presión, la
temperatura, el agua en la atmósfera y los movimientos del
aire.
1.4.1. PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Se define como “la fuerza que, en un determinado lugar y por unidad de superficie, ejerce la
columna de aire que está encima de él”. Como el aire es atraído hacia el suelo por gravedad, los
objetos soportan una presión que se ejerce en todas direcciones; cuanto más alto esté un punto
sobre la superficie terrestre, tanto menor será la presión en ese punto, ya que también es menor la
cantidad de aire que hay en éste.
La presión disminuye rápidamente con la altura; sin embargo, en la troposfera esta variación es
menos significativa. Así, se denominan zonas de altas presiones cuando la presión reducida al nivel
del mar es 1 013 hectopascales y zonas de bajas presiones cuando la presión es inferior a este
número
1.4.2. TEMPERATURA
Es bien sabido que la temperatura es una de las magnitudes más utilizadas para
describir el estado de la atmósfera; así, la información meteorológica que aparece
en los medios de comunicación siempre hace referencia a la temperatura de las
distintas zonas geográficas. Esta magnitud expresa el “contenido de energía cinética
que poseen átomos o moléculas de la materia en un momento dado”. Como es bien
conocido, el instrumento más empleado para medir la temperatura es el
termómetro. El modelo más sencillo consiste en un tubo de vidrio graduado con un
líquido en su interior, como mercurio o alcohol. Puesto que ambos líquidos se
expanden más que el vidrio, cuando aumenta la temperatura el líquido asciende por
el tubo y cuando disminuye se contraen y descienden por el tubo.
Las escalas de temperatura más comúnmente empleadas son la Celsius y la
Fahrenheit. Las temperaturas absolutas emplean la escala Kelvin. La escala Celsius,
mucho más empleada que la Fahrenheit, se utiliza para mediciones de rutina.
1.4.2. TEMPERATURA
Los cambios meteorológicos en el planeta Tierra a lo largo del año, especialmente de
la temperatura, pueden ser muy significativos: en las zonas de latitudes medias se
pueden distinguir cuatros periodos que afectan especialmente a los organismos y se
denominan estaciones del año (primavera, verano, otoño e invierno).
En primavera ocurre un ascenso de la
temperatura, los días y las noches duran lo
mismo y los árboles tienen hojas. El verano es el
trimestre con mayor temperatura, los días son
más largos y las noches más cortas, y se ven
plantas con hojas amarillas. El otoño ocurre con
descenso de temperatura, los días son igual de
largos que las noches y los árboles comienzan a
perder sus hojas. El invierno es el trimestre con
menor temperatura, los días son cortos y las
noches más largas y muchos árboles han
perdido sus hojas.
Figura 4.9 Giro anual de la Tierra sobre el Sol, que genera cuatro estaciones
1.4.3. AGUA EN LA ATMÓSFERA
Humedad: Es la “cantidad de vapor de agua que contiene el aire”. Esta cantidad no
es constante, sino que depende de diversos factores, como la lluvia reciente, la
cercanía al mar, la presencia de vegetación vecina, etc.
Nubes: Una nube es una “masa visible formada por los estados sólido y líquido del
agua que están suspendidos en el aire atmosférico”. La presencia del agua en los
tres estados de agregación, sólido, líquido y gaseoso, se debe a que las condiciones
físicas necesarias (temperatura y presión) para que se verifiquen dichos cambios
de estado se dan normalmente en la atmósfera.
• Nubes bajas. Están conformadas por gotitas de agua y aparecen entre los 200 y
los 2 500 m de altura; reciben la denominación de estratocúmulos y estratos.
• Nubes medias. Constituidas por vapor o gotitas de agua que no exceden de 0.2
mm de diámetro. Aparecen entre los 2 500 y los 7 000 m de altura. Se
denominan altocúmulos, altoestratos y nimbostratos.
• Nubes altas. Compuestas por pequeños cristales de hielo cuya temperatura está
comprendida entre –51 y –40ºC, aparecen entre los 7 000 y los 18 000 m de
altura. Se denominan cirros, cirrocúmulos y cirrostratos.
1.4.3. AGUA EN LA ATMÓSFERA
Niebla: La niebla es un conjunto de
minúsculas gotitas de agua que alteran la
visibilidad reduciéndola a menos de 1 km;
es por lo tanto una nube cercana al suelo.
Si la visibilidad está comprendida entre 1 y
10 km se la denomina neblina.
Precipitación: La precipitación puede
producirse por la caída directa de gotas de
agua o de cristales de hielo contenidos en
una nube. Estos elementos proceden del
cambio de estado del vapor de agua de
una masa de aire que, al descender en la
atmósfera, se enfría hasta llegar a la
saturación.
Figura 4.11 Formas de las nubes y alturas que alcanzan en la atmósfera
1.4.4. SEQUÍA
El fenómeno contrario a la lluvia es la sequía, que se define como el
“déficit de lluvias durante un periodo prolongado (una temporada,
un año o varios años) en relación con la media estadística
multianual de la región en cuestión”. La falta de lluvia da lugar a un
suministro insuficiente de agua para las plantas, los animales y los
seres humanos. La sequía suele provocar otros desastres:
inseguridad alimentaria, hambrunas, malnutrición, epidemias y
desplazamientos de poblaciones. A veces, las comunidades rurales
son capaces de hacer frente a uno o dos periodos sucesivos de
escasez de lluvias y de pérdida de cultivos o ganado. La situación se
convierte en una contingencia cuando las personas han agotado
todos sus recursos adquisitivos, reservas de alimentos, bienes y
mecanismos habituales para salir adelante. La sequía es un
fenómeno engañoso. Al contrario que los desastres repentinos,
evoluciona a lo largo del tiempo y destruye gradualmente la región
afectada. En casos agudos, la sequía puede durar muchos años y
causar efectos devastadores en la agricultura y las reservas de agua.
1.5. MOVIMIENTOS DEL AIRE
1.5.1. MOVIMIENTO VERTICAL
Generalmente, durante el día el aire cerca de la superficie de la Tierra es más caliente y liviano que
el aire en la atmósfera superior debido a la absorción de la energía solar. El aire caliente y liviano de
la superficie sube y se mezcla con el aire frío y pesado de la atmósfera superior, que tiende a bajar.
Por tanto, se tiene un movimiento debido a la diferencia de densidades de las distintas masas de
aire.
Los movimientos verticales de las masas de aire en la atmósfera van siempre acompañados de
cambios de presión. El movimiento de aire hacia una zona cercana pero que se encuentra a
diferente presión, cuando se realiza sin intercambio de calor, produce un cambio de volumen y de
temperatura que se denomina cambio adiabático. En la atmósfera los movimientos verticales
ascendentes y descendentes del aire suelen producir cambios adiabáticos de temperatura, ya que el
aire es en general mal conductor del calor y las masas de aire tienen tendencia a mantener sus
características térmicas. Toda compresión adiabática lleva consigo un calentamiento, mientras que
toda expansión en las mismas condiciones produce un enfriamiento. Además, como la presión
atmosférica desciende con la altitud, si una pequeña parte del aire total asciende verticalmente se
encuentra con presiones menores, por lo que de modo paulatino se expande y enfría; lo contrario
ocurre al descender.
1.5.2. MOVIMIENTOS HORIZONTALES
Viento: Es el movimiento de una masa de aire en la atmósfera en sentido
horizontal. Este desplazamiento es la resultante de distintas fuerzas que lo
dirigen. Puesto que la fuerza tiene magnitud, dirección y sentido es
preciso referirse al viento mediante un vector. La dirección del viento, que
se mide mediante una veleta, se designa según la dirección geográfica
“desde donde el viento está soplando”, es decir, desde donde viene.
Figura 4.17 Indicación de la dirección del viento
1.5.2. MOVIMIENTOS HORIZONTALES
El flujo de aire que se traslada en un plano horizontal, llamado
movimiento horizontal, está condicionado por tres tipos de fuerzas: fuerza
del gradiente de presión, fuerza de Coriolis y fuerza de fricción.
• Fuerza del gradiente de presión (FGP). Es la presión que equilibra la
fuerza que tiende a mover el aire de la presión alta a la baja.
• Fuerza de Coriolis. Esta fuerza causa una desviación del aire a la
derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur,
debido a una fuerza aparente causada por la rotación de la Tierra bajo la
acción del movimiento del aire.
• Fuerza de fricción. Se trata de la fuerza que afecta al viento cuando
actúa cerca de la superficie terrestre hasta llegar a altitudes
aproximadas de 500 a 1 000 m. Esta sección de la atmósfera se
denomina capa límite atmosférica o planetaria. Por encima de esta
capa, la fricción deja de influir en el viento. La fuerza de Coriolis y la del
gradiente de presión se encuentran balanceadas por encima de la capa
límite planetaria.
1.5.3. FRENTES
Frente frío: Cuando una superficie frontal se desplaza de tal manera que es el aire
frío el que desplaza al aire caliente en superficie, se dice que ocurre un frente frío.
Como la masa de aire frío es más densa, choca al aire caliente por debajo, como si
fuese una cuña, lo levanta, lo desaloja y lo obliga a ascender sobre la empinada
superficie frontal.
Frente cálido: En este caso, el aire caliente avanza sobre el frío pero, al ser este
último más pesado, se pega al suelo y aunque la masa fría se retira no se desaloja
totalmente, de manera que el aire cálido asciende con suavidad por la superficie
frontal, que hace de rampa.
Frente ocluido: Puesto que los frentes
fríos se desplazan más rápidamente que
los calientes, los primeros alcanzan a los
segundos. En estas condiciones el sector
caliente desaparece progresivamente de
la superficie, quedando sólo en altitud.
Cuando los frentes se han unido forman
una oclusión, o un frente ocluido.
Figura 4.25 Representación de los tipos de frentes
1.5.4. CIRCULACIONES
Circulaciones locales: Como su nombre lo indica, se
producen sólo en determinadas zonas como
consecuencia de características geográficas u
orográficas de un lugar.
• Brisas de mar: durante el día la tierra se calienta más rápidamente que la superficie del mar, de
manera que el aire del interior asciende y su lugar se ocupa con aire más fresco procedente del
mar. Por la noche, la tierra se enfría más rápidamente de modo que el aire situado por encima
de la superficie del mar está más caliente y tiende a ascender, haciendo que se produzca un
flujo de viento de la tierra hacia el mar.
• Brisas de valle y montaña: durante el día, el aire del valle se calienta rápidamente y tiende a
ascender por la montaña. Por la noche el enfriamiento del aire lo hace más denso por lo que
desciende hacia el valle desde la montaña.
• Monzones : Son vientos parecidos a las brisas aunque en mayor escala. Tienen gran
importancia climática en ciertas regiones como en India. Mientras que las brisas tienen una
escala temporal diurna, los monzones son un fenómeno estacional y de mucha mayor
extensión.
1.5.4. CIRCULACIONES
Circulación general en la atmósfera: Es
el movimiento del aire que representa
el flujo promedio alrededor del planeta.
La fuerza que impulsa la circulación
general es el calentamiento irregular de
la superficie terrestre. Las regiones
ecuatoriales reciben mucho más energía
del Sol que las polares; como
consecuencia, las variaciones
horizontales de la temperatura
atmosférica, causadas por el
calentamiento irregular, determinan
diferencias de presión que dirigen la
circulación atmosférica.
Figura 4.26 Circulación general en la atmósfera
1.5.5. MOVIMIENTOS VIOLENTOS
Aunque la mayor parte de las alteraciones atmosféricas causadas
por vientos y lluvias (borrascas) suelen ser más beneficiosas que
perjudiciales, algunas pueden producir grandes daños, Así por
ejemplo, una tormenta fuerte en invierno puede darse a
temperaturas muy por debajo del punto de congelación y producir
nevadas intensas y vientos muy fuertes. Existen otros sistemas
borrascosos muy difíciles de predecir con exactitud, debido a su
rápido desarrollo, su corta duración o, a veces, su pequeña medida.
Se trata de los tornados y huracanes.
• Tormenta: Se refiere a la perturbación violenta de la atmósfera
que incluye intensos vientos y precipitaciones. La tormenta se
caracteriza por la coexistencia de dos o más masas de aire de
diferentes temperaturas, lo que provoca una inestabilidad en el
ambiente que puede incluir truenos, relámpagos, lluvias, granizos
y otros fenómenos meteorológicos. Las tormentas se originan por
la combinación de un centro de baja presión con otro de alta
presión, resultando dichos fenómenos.
1.5.5. MOVIMIENTOS VIOLENTOS
• Huracán: Denominado también tifón, es un movimiento violento de aire
que se origina sobre los mares tropicales, normalmente al finalizar el
verano o al principio del otoño y que se traslada miles de kilómetros
sobre el océano capturando la energía térmica de las aguas templadas.
Su origen se encuentra en una masa uniforme de aire caliente y húmedo
que asciende con rapidez. La presión del aire se distribuye de modo
simétrico alrededor de su centro y las isóbaras son círculos concéntricos
muy cercanos entre sí.
• Tornado: Es un remolino de vientos intensos junto con la formación de
nubes tormentosas. Los tornados pueden originarse sobre tierra firme o
en el mar a partir de un ascenso rápido de aire muy cálido. El
movimiento del aire en forma de espiral le da el típico aspecto de un
embudo. Su recorrido por tierra puede oscilar entre 1.5 y 160 km
cuando es un tornado violento. Aquéllos que se forman en el mar se
denominan mangas marinas. Los vientos que se generan ocurren con
velocidades de 180 km/h, aunque existen casos que llegan hasta los 500
km/h.
1.6. CLIMATOLOGÍA
La climatología es una “rama de la meteorología que estudia la evolución
de las condiciones medias de la atmósfera en periodos relativamente
largos”. Esta ciencia entonces concierne al clima, que es el estado
promedio de la atmósfera a través del tiempo en un lugar de la Tierra, a
diferencia del tiempo atmosférico que es el estado total de la atmósfera
en un momento dado y en lugar determinado. Así, si se dice que en la
ciudad donde uno vive los inviernos son fríos y lluviosos se está
considerando un periodo de muchos años, de los cuales se tienen
registros de temperaturas y precipitaciones; sin embargo, si durante un fin
de semana hubo una lluvia inesperada en la misma ciudad, entonces está
refiriéndose al tiempo.
Actualmente se prefiere hablar del sistema climático formado por los
subsistemas que interaccionan entre ellos al intercambiar masa, energía y
cantidad de movimiento. Dichos subsistemas son: atmósfera, hidrosfera,
litosfera y biosfera. Considerando el sistema climático, se puede definir el
clima como el estado del sistema caracterizado por valores medios,
extremos, medidas de dispersión y otras cantidades que caracterizan la
estructura y el comportamiento de los cuatro subsistemas sobre un
período largo. Aquí, periodo largo implica, al menos, 30 años.