Breve explicación sobre el modelo atmosférico de celdas

A lo largo de la historia se ha intentado crear modelos que se adaptaran a la atmósfera que posee nuestro planeta. Varias opciones, cada vez más complejas (y próximas a la realidad) se han ido formulando. Debemos entender que la atmósfera es cambiante y posee circulación.

Como bien sabemos la Tierra está inclinada respecto a su plano orbital (unos 23,5º). Esto es lo que permite que existan las estaciones. Cuando, debido a dicha inclinación, el Sol incide de forma más perpendicular a la superficie de un lugar, se dice que ahí es verano.

Vamos a considerar distintos puntos de la Tierra para un momento determinado. Supongamos que es invierno en el hemisferio norte, por lo tanto los rayos del Sol inciden de forma más perpendicular en el hemisferio sur (ya que ahí es verano) y si estamos en el hemisferio norte vemos la estrella baja en el cielo. Los fotones procedentes del Sol deben recorrer más distancia y su intensidad se ve reducida en función del seno del ángulo de incidencia respecto la superficie (siendo máximo cuando es perpendicular a la misma, esto es, seno de 90º o p/2 rad).

El concepto del párrafo anterior, de “intensidad” de los rayos, variará en función del ángulo de incidencia pues. Y sabemos que la Tierra es esférica, por lo que depende del punto que nos encontremos de la misma, el ángulo de incidencia del Sol será distinto. No cuesta demasiado ver que donde el ángulo será menor es cerca del Polo Norte en la situación antes descrita, aunque no exactamente en el mismo.

Todo esto nos permite ver que habrá distintas temperaturas en función de la latitud, algo obvio pero muy importante. Lógicamente en el desierto hará calor y en el Polo Norte frío. Esto propicia una circulación atmosférica, debido a esta diferencia de temperaturas. Como sabemos, un gas si se calienta se expande, disminuyendo su densidad y ascendiendo. También podemos definir el concepto inverso, que sería el de un gas que se enfría, se vuelve más denso y desciende (“cae”).

Estas dos situaciones son aproximadamente las que suceden entre dos celdas, del modelo de celdas atmosféricas. En él se proponen diversas celdas donde el aire va circulando en un ciclo cerrado. Estas celdas vienen determinadas únicamente por la latitud. Concretamente existen tres celdas por hemisferio (siendo las mismas repetidas en el otro, como si se tratara de un espejo).

Estas celdas o células son: celda de Hadley (entre 0 y 30º de latitud), celda de Ferrel (de 30 a 60º) y celda polar (de 60 a 90º).

Las uniones entre distintas celdas pueden crear zonas de convergencia o divergencia (zonas de ascensión de aire o de descenso). Hay que imaginas las celdas como una rueda que gira en un sentido, entonces, cuando en el punto en el que están juntas dos celdas, ambas “giran” hacia un sentido (por ejemplo, ambas suben en ese punto) habrá una zona donde el aire ascenderá, pudiendo crear los denominados chorros o jet streams (el subtropical y el polar).

Esto crea zonas de formación de nubes, y ayuda a explicar parte del clima ya que podemos saber en qué zonas será más frecuente que ocurra dicho proceso, además de que suele haber vientos más pronunciados.

El efecto Coriolis también es muy importante a la hora de definir la dinámica de la atmósfera, así como incluso de los océanos de forma indirecta. Pero de él hablaremos en otra entrada.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

Tipos de nubes y previsión meteorológica

Los factores atmosféricos están muy presentes en el día a día de nuestras sociedades. Actividades de exterior, no solo de ocio sino también de producción (agrícolas, ganaderas…) están a merced de las condiciones que cada día parecen variar.

Un fenómeno atmosférico muy determinante es el de las nubes, agua condensada y agrupada en la troposfera (los 10 primeros kilómetros de la atmósfera, donde se concentra aproximadamente el 90% de la misma), en su mayoría. Las nubes están sujetas a cambios en función de las condiciones de circulación (viento), humedad, temperatura, presión atmosférica… Estas condiciones determinan la forma y composición de las nubes, por lo que el aprender a identificar los tipos de nubes más comunes, puede ser útil para conocer las condiciones en ese momento y lugar, de la atmósfera.

Nimbus, es nube en latín. Suelen usarse nombres en latín para los tipos de nube, muchas acabadas en -nimbus (el motivo se puede deducir a partir del significado ya explicado de “nimbus”). Hay otros sufijos que nos pueden dar información sobre qué tipo de nube es:

  • -cumulus: Cúmulo o agrupación. Suelen ser un conglomerado de nubes menores, que avanzan de forma más o menos uniforme, en grupo.
  • -stratus: Estrato. Podríamos decir que es una nube tenue que se extiende de forma uniforme (no se distingue entre varias nubes).

El ejemplo más claro es el de cumulonimbus. Son nubes de desarrollo vertical, lo que significa que son nubes que abarcan grandes distancias en forma vertical, o sea, de altura. Esto hace que la temperatura en la base de la nube y en su cima, sean distintas, y se genera un flujo en el interior de la nube por donde el aire más caliente de la base, asciende hasta la cima y luego se enfría y baja un poco. Este túnel es más estrecho que las bases (tanto la superior como la inferior) que son más anchas. Se dice comunmente que tiene forma de yunque, la herramienta usada por los herreros donde golpean los metales con un martillo. Debido a esta inestabilidad, los cumulonimbus es altamente probable que siempre lleven precipitación y de forma violenta, tormenta.

Hay otra palabra que es muy útil conocer en meteorología, que es la de “cirrus” o cirro. Significa que la nube está compuesta por cristales de hielo. La composición entre varias palabras, como la propia cumulonimbus, nos da información extra de la nube.

Hay varios tipos que se clasifican en función de la altura de la nube (que al variar la temperatura, también hace variar las condiciones, no es la misma nube en una altura que en otra). Enumero los tipos más comunes:

Altas:

  • Cirrocumulus (Cc): Nubes altas, de hielo, agrupadas en pequeñas nubes de forma más o menos esférica.
  • Cirrostratus (Cs): Nube de hielo en forma de tela transparente que cubre grandes extensiones del cielo. Suele distinguirse de las zonas en las que se ve el cielo, puesto que en las zonas con nube el cielo se ve más blanquecino, y mirando hacia el sol se distingue claramente que existe algo en la atmósfera.
  • Cirrus (Ci): Similares a la anterior, de hielo también, pero agrupados en tiras como si una nube como la anterior hubiera sido desgarrada.

Medias:

  • Altocumulus (Ac): Parecidas a los cirrocumulos pero de agua y a menor altura.
  • Altostratus (As): Usualmente casi todo el cielo estará cubierto por estas nubes. Hacen disminuir las temperaturas pero no es probable que acaben en precipitación. Suelen ser blanquecinas.
  • Nimbostratus (Ns): Nubes que ocupan alturas medias y bajas. De gran tamaño y color más oscuro, suelen dejar lluvia pero no de forma excesivamente violenta.

Bajas:

  • Cumulus (Cu): Nubes bajas, típicas y que no suelen dejar precipitación. Son frecuentes en verano.
  • Stratocumulus (Sc): Parecidos a los cúmulos pero más planos y alargados.
  • Stratus (St): Lo que puede llegar a ser niebla de estar a altura del suelo. Nube ténue, muy poco densa que no deja precipitación.

Una ilustración extraída de la Wikipedia parece ser genial para detallar los tipos de nubes antes mencionados:

Se han especificado los géneros de nubes, pero dentro de ellos comentar que hay especies, dentro de especies variedades, y dentro de ellas hay “nubes accesorias” que sería el grado más bajo en la clasificación (dentro de una nube accesoria no hay más ramificaciones, o sea, no hay otros tipos de nubes).

Por último detallar un par de nubes especiales, que lo son por desarrollarse fuera de la troposfera:

Nacreous: Son nubes que se encuentran en la estratosfera en los polos. Debido a la circulación atmosférica (hay una celda atmosférica polar, y zonas de ascendencia de vientos, debido al flujo de aire caliente del ecuador a los polos) puede darse grandes ascensiones de aire con su humedad, saliendo incluso fuera de la troposfera, lo que da lugar a estas curiosas nubes.

Nube tipo Nacreous, o nube estratosférica polar.

Noctilucent: Esta nube se encuentra a unos 80km de la superficie de la Tierra, en la mesosfera, una vez más en los polos. Hay varias propuestas sobre como puede haber esa humedad a tanta altura. Hay hipótesis que hablan de agua dejada por meteoros procedentes del espacio, otras que hablan de la humedad que dejan los cohetes que lanzamos al espacio. Estas nubes están a tanta altura, que cuando es de noche ya en la superficie y el sol se ha puesto, aún sigue dando su luz a esas nubes, brillando cuando ya es de noche (el nombre significa, luces nocturnas).

Nube tipo noctilucent, o nube mesosférica polar.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

¿Por qué el cielo es azul?

Es una pregunta formulada muchas veces, y respondida ya tantas otras, pero jamás respondida por mi, así que vamos allá.

La luz que emite el Sol es, podríamos decir, blanca (ciertamente tiende al amarillo, pero este es un tema que trataré en otra entrada). Esto quiere decir, como ya sabemos, que contiene toda la gama de colores que el ojo humano puede reconocer (y más, pero nos interesa esta parte concreta del espectro).

Hasta aquí bien. El tema está en que, cuando la luz incide sobre la materia, en este caso la atmósfera, “choca” contra las moléculas del gas que la compone. Mayoritariamente Nitrógeno y Oxígeno. Las moléculas absorben la energía de la luz, y emiten solo una determinada. La luz se expresa, como toda onda, con una determinada longitud de onda (y frecuencia asociada). La longitud de onda es, la longitud que hay entre dos puntos iguales de la onda. Podríamos considerar un punto cualquiera, y si “avanzamos” por la onda, esta subiría (o bajaría) para volver a bajar y estar en la misma “altura”. Esta medida es la longitud de onda, que puede ser mayor o menor.La luz azul/violeta tiene menor longitud de onda, y la roja mayor, estando cada una en el extremo de la luz que los humanos podemos ver.

Normalmente las moléculas reflejan la radiación con una longitud de onda del órden de su tamaño, que curiosamente para el nitrógeno y el oxígeno es aproximadamente el azul (también el violeta, pero el ojo humano capta mejor el azul). Este fenómeno es llamado dispersión de Rayleigh.

La luz azul/violeta, es la más energética del espectro visual. Podríamos decir, coloquialmente, que la luz se dispersa “poco”. Pero, en el atardecer y en la salida del sol, como el sol está bajo en el cielo, debe la luz de él atravesar una cantidad mucho mayor de atmósfera. Entonces pues, la luz se dispersa más, y “pierde más energía”. Esto se traduce en una mayor longitud de onda (y menor frecuencia). Por lo que la luz acaba en tonos anaranjados o rojizos.

Aclarar que, esto sucede en las zonas próximas al sol (aparentmente, claro), ya que la luz sigue dispersándose de un modo similar por todo el resto de la atmósfera. Podríamos decir que la luz va rebotando por toda la atmósfera, por esto que se ve todo el cielo azul y no solo la zona que rodea al sol.

 

Dibujo y explicación de las dispersiones de Rayleigh y Mie.

 

Por último, las nubes se ven blancas ya que son gotas de agua, de un tamaño mucho mayor que las moléculas de gas del N y O. Lo que pasa en tal caso es que la luz se dispersa totalmente, quedando como era, blanca. Esta dispersión es mayor si nos encontramos justo en el otro lado. Es en esa dirección cuando la dispersión es mayor (tiene el nombre de dispersión de Mie). Esto sucede también para aerosoles presentes en la atmósfera (polvo, etc..), y propicia amaneceres/atardeceres más rojos aún que solo por la dispersión de Rayleigh.

Hay un hecho curioso, es que en Marte esto se invierte. Los atardeceres en Marte, son azules (debido al tamaño del polvo en su atmósfera) pero durante el día el cielo tiene un tono rojizo-rosado. El polvo en cuestión está formado mayoritariamente por óxidos, lo que le confiere un color similar al de su propio suelo. Puede parecer contradictorio con lo antes explicado, pero hay que tener en cuenta que el mayor peso en la dispersión se lo lleva el polvo, como he explicado, y no los gases de la ténue atmósfera marciana (además compuesta en su enorme mayoría por dióxido de carbono). Al anochecer naturalmente, como en la Tierra, el Sol está más bajo y permite la dispersión hasta lograr tonos azulados al ser más gruesa la capa de gas que debe atravesar la luz. Entra en juego también la dispersión de Mie, como en los atardeceres terrestres, donde ya he explicado que es debida a, también, aerosoles.

Dejo un par de imágenes, que siempre vienen bien para ilustrar la teoría:

 

Parte del cielo de Marte durante el día (JPL-NASA).

Atardecer en Marte, imagen tomada por el Curiosity. Aproximadamente así es como vería el ojo humano un atardecer en Marte, pero la cámara del Curiosity tiene menos sensibilidad al azul, así que se vería más azulado. (JPL-NASA).

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn