Curso meteorología

2.1. La Tierra en el espacio

 

La Tierra está dotada de dos movimientos principales que están extrechamente relacionados con el clima y sus variaciones: el de traslación y el de rotación. El primero es el recorrido que efectúa el planeta en torno al Sol, fuente de calor que regula todo el proceso climático terrestre. Y el segundo es el movimiento que ejecuta la Tierra sobre su eje imaginario que pasa por los polos, y que produce el día y la noche, con la consiguiente influencia en los procesos atmósfericos.
La órbita que describe la Tierra no es una circunferencia, sino una elipse ligeramente alargada, ocupando el Sol uno de los focos. Cuando la tierra pasa por el punto más cercano al Sol, llamado perihelio (sucede en enero), se encuentra a 147,7 millones de kilómetros del mismo, mientras que cuando se halla en el punto más alejado, llamado afelio (sucede en julio), dista 152,2 millones de kilómetros. No obstante, por orden práctico, casi siempre se utiliza la distancia media, cuyo valor aproximado es de 149,5 millones de kilómetros. El tiempo que tarda la Tierra en completar ese recorrido da origen al año terrestre, que es de 365 días, 5 horas, 48 minutos y 45,975 segundos. Se le denomina año trópico y es la unidad fundamental del tiempo, comenzando las distintas estaciones en las mismas épocas de ese año.
El eje imaginario en torno del cual gira el globo terrestre no es perpendicular al plano de la órbita que describe alrededor del Sol, conocido como eclíptica, sino que está 23° 27′ inclinado con respecto al mismo. Se debe a esta inclinación la desigualdad de los días y las noches y la sucesión de las estaciones.
La inclinación del eje terrestre, unida a la excentridad de la órbita y a la esferidad del planeta, hace que la cantidad de luz y calor procedente del astro rey no sea la misma en toda la superficie de la Tierra. Estas diferencias de iluminación y, por consiguiente, de calentamiento de la atmósfera y suelo terrestres, son causa de que experimente grandes oscilaciones la temperatura de cada región, país y continente, y de que varíen constantemente, a través del año, los fenómenos que dependen de la misma.
De acuerdo con las variaciones climáticas que sufre la Tierra, el año está dividido en cuatro períodos o estaciones.

 

2.2. Las estaciones del año

 

Las cuatro estaciones son: primavera, verano, otoño e invierno. Las dos primeras componen el medio año en que los días duran mas que las noches, mientras que en las dos restantes las noches son más largas que los días.
Estas variaciones  son debidas a la inclinación del eje de rotación, gracias al cual estos fenómenos no se producen al mismo tiempo en el hemisferio Norte (Boreal) que en el hemisferio Sur (Austral), sino que están invertidos el uno con relación al otro. Mientras la Tierra se mueve en torno al Sol con el eje del Polo Norte inclinado hacia él, el del Polo Sur lo está en sentido contrario. Por lo tanto, las regiones del primero reciben más radiación solar que las del segundo. Posteriormente se invierte esta proceso y son las zonas del hemisferio Boreal las uqe reciben menos calor.
Estas cuatro estaciones están determinadas por cuatro posiciones principales opuestas dos a dos, que reciben el nombre de solsticios y equinoccios.
Estas cuatro estaciones, principalmente a causa de la excentricidad de la órbita terrestre, no tienen la misma duración, pues la Tierra recorre su trayectoria con velocidad variable, yendo más aprisas cuanto más cerca está del Sol y más despacio cuanto más alejado se halla. Por el mismo motivo, el rigor de cada estación no es el mismo para ambos hemisferios. Nuestro planeta está más cerca del Sol a principios de enero (perihelio) que a principios de julio (afelio), lo que hace que reciba un 7% más de calor en el primer mes del año que no a la mitad de él. Por este motivo, en conjunto, aparte otros factores, el invierno boreal es menos frío que el austral, y el verano austral es más caluroso que el boreal.
La duración de las estaciones es la siguiente:

Estación

Hemisferio Norte

Hemisferio Sur

Verano
Otoño
Invierno
Primavera

93.7 días
89.6 días
89.0 días
92.9 días
89.0 días
92.9 días
93.7 días
89.6 días
Año 365.2 días 365.2 días
A causa de perturbaciones que experimenta la Tierra mientras gravita en torno al Sol, no pasa por los puntos solsticiales y equinocciales con rigurosa exactitud, lo que motiva que las diferentes estaciones no comiencen siempre en el mismo preciso momento. Las fechas que señalan, generalmente el principio de las estaciones, son las siguientes:

Día / Mes

Hemisferio Norte

Hemisferio Sur

20 ó 21 / 03
21 ó 22 / 06
23 ó 24 / 09
21 ó 22 / 12
Primavera
Verano
Otoño
Invierno
Otoño
Invierno
Primavera
Verano

 

2.3. Los climas de la Tierra

 

Los climas de la Tierra se pueden clasificar de diversas maneras, en este apartado se  utilizan criterios sencillos y de fácil comprensión.
Hay tres tipos de climas en relación a la latitud y que estan relacionados con la circulación general atmosférica:
  • Climas fríos (entre los 90º y 60º de latitud)
  • Climas templados (entre los 60º y 30º de latitud)
  • Climas cálidos (entre los 30º y 0º de latitud)
Estas franjas climáticas son muy extensas e incluyen zonas con climas bastante diferentes, y por tanto se establecen otras clases climáticas dentro de cada zona:
Climas fríos: Predominio del frío. Ocupan zonas de latitudes altas.
  • Clima polar: se caracteriza por las bajas temperaturas durante todo el año, que pueden alcanzar valores extremos en las largas noches polares. Precipitaciones escasas.
  • Clima de tundra o estepa: Parecido al polar pero con precipitaciones abundantes. Ocupa las costas del océano ártico.
  • Clima subártico: Inviernos largos y de fríos rigurosos. Veranos cortos y frescos. Precipìtaciones variables según las zonas. Las oscilaciones térmicas son muy grandes en las zonas interiores de los continentes. Se encuentra en las zonas más al sur.
Climas templados: Predominio de las temperaturas moderadas. Estaciones del año clásicas, (primavera, verano, otoño, invierno). Ocupan zonas de latitudes medias.
  • Clima atlántico: Temperaturas moderadas con pocas oscilaciones. Precipitaciones regulares y abundantes. Se encuentra en las zonas de influencia oceánica.
  • Clima mediterráneo: Inviernos suaves. Veranos cálidos y secos. LLuvias muy irregulares, más abundantes en el otoño y la primavera.
  • Clima continental: Grandes oscilaciones térmicas tanto diarias como anuales. Precipitaciones abundantes durante el verano. Se encuentra en las zonas más interiores de los continentes.
  • Clima subtropical húmedo: Inviernos moderadamente frescos. Veranos calurosos con lluvias intensas y abundantes.
  • Clima desértico: Más caluroso cuanto más al sur y siempre con oscilaciones térmicas importantes. Precipitaciones escasas todo el año. Engloba las zonas más al sur dentro de esta franja climática.
Climas cálidos: Predominio de las temperaturas elevadas. Se encuentran en las zonas de latitudes bajas.
  • Clima tropical desértico: Parecido al anterior pero con temperaturas medias anuales más altas. Genaralmente se dá en las zonas más al norte de sta franja.
  • Clima tropical marítimo: Las temperaturas son altas con pocas oscilaciones. Lluvias estacionales bastante abundantes.
  • Clima tropical estacional: Hay dos estaciones claramente marcadas, una seca y calurosa, y la otra menos calurosa y con lluvias torrenciales.
  • Clima ecuatorial: Temperaturas altas y muy constantes. Lluvias abundantes, a menudo estacionales, pero que se extienden durante buena parte del año.

 

2.4. La atmósfera

 

La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve nuestro planeta. El aire que respiramos se compone principalmente de oxígeno y nitrógeno, en una proporción aproximada del 78% y 21% respectivamente a nivel del mar, según se ve en la tabla siguiente:

Nitrógeno 78,08%
Oxígeno 20,94%
Argón 0,93%
Dióxido de Carbono 0,032%
Neón 0,0018%
Helio 0,0005%
Metano 0,0001%
Criptón 0,0001%
Hidrógeno 0,00005%
Dióxido de Nitrógeno 0,000027%
Monóxido de Carbono 0,000019%
Xenón 0,0000087%
Ozono 0,0000041%

 

El aire atmosférico contiene siempre una proporción variable de vapor de agua y también, bajo forma de nubes, agua condensada e incluso hielo.
Por otro lado, sobre todo en la alta atmósfera, existe una proporción variable de ozono que, aunque muy pequeña, protege de la destrucción completa a la vida orgánica de la superficie de nuestro planeta gracias a su enorme capacidad de absorción para los rayos ultravioletas.
El vapor de agua juega un papel análogo al del ozono y nos menos importante, puesto que absorbe las radiaciones de gran longitud de onda emitidas por la tierra y, devolviéndolas por reflexión, impide que se enfríe por la noche hasta un centenar de grados bajo cero, como ocurriría en el seno de una atmósfera completamente seca.

 

2.5. Capas de la atmósfera

 

La división de la atmósfera puede plantearse con diversos criterios: los principales son, la modificación que se produce en la composición del aire con la altitud, y la evolución de las temperaturas por dicha causa.
Estructura de la atmósfera según el criterio químico:
  • Homosfera: llega hasta los 80 km de altura y presenta una composición química homogénea.
  • Heterosfera: limita inferiormente con la homosfera. Su límite superior es impreciso. Se caracteriza por presentar una estratificación en capas de sus componenetes: el nitrógeno se situa entre los 90 y los 200 km de altura, el oxígeno entre los 200 y los 1000 km, le sigue el helio desde los 1100 hasta los 3500 km, y finalmente, el hidrógeno a partir de los 3500 km.
Estructura de la atmósfera según la temperatura:
  • Troposfera: es la capa más próxima a la superficie terrestre. Llega hasta los 11 km de altura por término medio. En los polos no alcanza los 8 km, mientras que en las zonas ecuatoriales puede llegar a los 16. En esta capa la temperatura desciende con la altitud hasta los -56ºC. El límite entre esta capa y la siguiente recibe el nombre de tropopausa.
  • Estratosfera: es la segunda capa más próxima a la superficie terrestre. Se encuentra sobre la troposfera y llega hasta una altura de unos 48 km. El límite superior recibe el nombre de estratopausa. La temperatura aumenta progresivamente con la altura hasta pocos grados bajo cero. Esta segunda capa es la que contiene la mayor parte de la capa de ozono (a los 22 km se encuentra la concentración máxima) que retiene las radiaciones ultravioletas del espacio exterior, permitiendo el desarrollo de la vida terrestre.
  • Mesosfera: es la capa siguiente, que llega hasta los 80 km de altura y en ella la temperatura vuelve a descender hasta el orden de los -100ºC.
  • Termosfera o ionosfera: es la capa que va de los 80 a los 600 km de altura. En ella los gases se encuentran en estado de disgregación atómica, abundando las partículas con carga eléctrica. La temperatura vuelve a aumentar de nuevo hasta superar los 1000ºC. Esta capa es de gran interés para los meteorólogos ya que es dónde tienen lugar los fenómenos meteorológicos responsables de los cambios del tiempo atmosférico. Las nubes más altas no acostumbran a sobrepasar la tropopausa, solamente lo hacen algunos cirros y algunas grandes nubes de desarrollo vertical.
  • Exosfera: Se encuentra a partir de los 1.000 km, y apenas existen moléculas de materia. Es la región que exploran los satélites artificiales y no tiene la menor influencia sobre los fenómenos meteorológicos.

 

2.6. La presión de la atmósfera

 

La masa de aire que envuelve la Tierra tiene un peso, por lo que ejerce una presión sobre los seres vivos y los objetos. El peso total de la atmósfera es de unos 6.000 billones de toneladas. Sin embargo, este peso apenas se nota. A nivel del mar nuestro cuerpo soporta una presión periférica de algo más de 1 Kg./cm², pero esa presión sobre la piel se equilibra por la que ejerce hacia afuera el aire que entra en los pulmones y la sangre. A causa de esto no apreciamos los +/- 15.000 Kg. que soportamos cada uno.
La presión, debida al peso del aire, se denomina presión atmosférica y su unidad de medida es la atmósfera, que es el peso de una columna de mercurio de 760 mm. de altura y 1 cm² de sección, a la latitud de 45º y al nivel del mar.
La presión del aire disminuye con la altura, así como también la densidad. Dicha variación es logarítmica. Así a 5000 metros la presión se reduce a la mitad (1/2 atmósfera). Al tener el aire siempre la misma proporción de oxígeno, si uno se eleva a 5000 metros, respira el mismo volumen de aire pero su presión parcial es la mitad y la sangre recibirá la mitad de oxígeno.
La presión atmosférica no es la misma siempre en un punto determinado, sino que sufre variaciones, dependiendo de diversos factores, entre ellos la temperatura y la humedad. Para medir la presión  podemos utilizar el barómetro de mercurio, el barómetro aneroide o el barógrafo.

 

2.7. La temperatura del aire

 

Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin que el aire absorba una cantidad apreciable del calor de aquellos. Pero, en cambio, la radiación solar es absorbida por la tierra, la cual a su vez calienta por contacto las capas inferiores de la atmósfera, y estas luego transmiten su calor a las capas más altas, en virtud de las corrientes de convección que se establecen. Así pues, en general, las capas bajas de la atmósfera se hallan a mayor temperatura que las situadas encima de ellas y, por tanto, la temperatura del aire, igual que la presión, disminuye con la altitud. Esta afirmación puede tomarse como cierta para los 11 ó 12 primeros kilómetros de la atmósfera, siendo la disminución (gradiente) de unos 0.55º C. por cada 100 m. de aumento en la altura.
En las noches claras, el calor acumulado en la tierra durante el día es irradiado con gran rapidez, de modo que la capa más baja de la atmósfera se enfría primero que las de encima; entonces, la temperatura del aire en la proximidad de la tierra puede ser más baja que en otras capas más altas, invirtiéndose el «gradiente de temperatura», es decir, que esta aumenta con la altitud (inversión del gradiente) en vez de disminuir.
Si una masa parcial del aire se calienta más que otras que la rodean, se expandirá, adquirirá menor densidad y tenderá a elevarse. Pero, al ascender, penetrará en regiones de presión cada vez menor, lo cual favorecerá todavía más la expansión del aire. Esta expansión (que se llama cambio de estado térmico) produce un enfrentamiento; si tal cambio de estado ocurre sin absorber calor del medio que rodea a dicha masa de aire, ni cedérselo, se dice que la expansión es adiabática. El gradiente de temperatura, en tales condiciones, es de 1ºC. por cada 100 m. de aumento de altura, denominándose gradiente adiabático seco.
Que dicha masa de aire continué subiendo, o no, dependerá de la relación que entre si guarden su gradiente adiabático y el gradiente termométrico del aire que la rodea. Si el segundo gradiente es mayor que el primero, el aire seguirá ascendiendo, pues, a cualquier altitud considerada, será todavía mas caliente (y por tanto menos denso) que el aire que le envuelve. Se dice entonces que la atmósfera es inestable. Cuando ocurra lo contrario, o sea, cuando el gradiente adiabático supere el gradiente termométrico, el aire que se eleva entra en regiones donde, a una altura dada, se hallará rodeado de aire mas caliente; en consecuencia, la masa ascendente resultará mas densa y su tendencia a elevarse quedará frenada. La atmósfera entonces será estable. Claro esta que una inversión del gradiente supone condiciones de gran estabilidad.
La temperatura del aire, que se mide con el termómetro de mercurio o el termógrafo, sufre variaciones dependiendo de diversos factores, entre los que podemos destacar los siguientes:
  • Variación diurna: Se define como el cambio de temperatura entre el día y la noche, producido por la rotación de la Tierra. Durante el día la radiación solar es en general mayor que la terrestre, por lo tanto la superficie de la Tierra se torna más caliente. Durante la noche, en ausencia de la radiación solar, sólo actúa la radiación terrestre, y consecuentemente, la superficie se enfría. Dicho enfriamiento continúa hasta la salida del sol. Por lo tanto la temperatura mínima ocurre generalmente poco antes de la salida del sol.
  • Variación estacional: Esta variación se debe a la inclinación del eje terrestre y el movimiento de traslación de la Tierra alrededor del sol. El ángulo de incidencia de los rayos solares varía, estacionalmente, en forma diferente para los dos hemisferios. El hemisferio norte es más cálido en los meses de junio, julio y agosto, en tanto que el hemisferio sur recibe más energía solar en diciembre, enero y febrero.
  • Variación con la latitud: La mayor inclinación de los rayos solares en altas latitudes, hace que éstos entreguen menor energía solar sobre estas regiones, siendo mínima dicha entrega en los polos. En tanto que sobre el Ecuador los rayos solares llegan perpendiculares, siendo allí máxima la entrega energética.
  • Variaciones con el tipo de superficie: En primer lugar la distribución de continentes y océanos produce un efecto muy importante en la variación de la temperatura, debido a sus diferentes capacidades de absorción y emisión de la radiación. Las grandes masas de agua tienden a minimizar los cambios de temperatura, mientras que los continentes permiten variaciones considerables en la misma. Sobre los continentes existen diferentes tipos de suelo: Los terrenos pantanosos, húmedos y las áreas con vegetación espesa tienden a atenuar los cambios de temperatura, en tanto que las regiones desérticas o áridas permiten cambios grandes en la misma.
  • Variaciones con la altura: A través de la primera parte de la atmósfera, llamada troposfera, la temperatura decrece con la altura. Este decrecimiento se define como Gradiente vertical de Temperatura y es en promedio de 6,5ºC/1000m. Sin embargo ocurre a menudo que se registre un aumento de la temperatura con la altura: Inversión de temperatura. Durante la noche la Tierra irradia (pierde calor) y se enfría mucho más rápido que el aire que la circunda; entonces, el aire en contacto con ella será más frío mientras que por encima la temperatura será mayor. Otras veces se debe al ingreso de aire caliente en algunas capas determinadas debido a la presencia de alguna zona frontal.

 

2.8. Vapor de agua

 

La atmósfera terrestre contiene cantidades variables de agua en forma de vapor. La mayor parte del mismo se encuentra en los primeros 5 kilómetros  del aire, dentro de la troposfera, y procede de diversas fuentes terrestres gracias al fenómeno de la evaporación, el cual es ayudado por el calor solar y por la temperatura propia de la tierra.
El vapor de agua que se encuentra en la atmósfera proviene, principalmente, de la evaporación de los mares. La evaporación es el paso de una sustancia líquida al estado de vapor. Este proceso se realiza solamente en la superficie del líquido y a cualquier temperatura aunque, en igualdad de condiciones, este fenómeno es acelerado cuanto mayor es la temperatura reinante. Los cambios que sufre el vapor de agua en el aire, principalmente a causa de las variaciones de temperatura y de los fenómenos eléctricos, es lo que produce los llamados meteoros acuosos.

 

2.9. Evaporación

 

Este proceso presenta dos aspectos: el físico y el fisiológico: El primero tiene lugar en todos los puntos en que el agua está en contacto con el aire no saturado, sobre todo en las grandes superficies líquidas: mares, lagos, pantanos y ríos. La evaporación fisiológica corresponde a la transpiración de los vegetales, la cual restituye a la atmósfera una gran cantidad de agua, que primero había sido absorbida. La cantidad de vapor de agua, en un volumen dado de aire, se denomina humedad.

 

2.10. Humedad

 

La atmósfera contiene agua en los tres estados de la materia: en forma de vapor, en gotas de condensación y en estado sólido.
La humedad absoluta se refiere a la cantidad total de vapor de agua que se encuentra en el aire.
Pero la cantidad de vapor de agua que puede haber en un volumen determinado de aire varia con los cambios de temperatura. El aire caliente puede contener más cantidad de vapor que le aire frío. Cuanto más alta sea la temperatura del aire, más vapor de agua pude contener. Esto implica que cuando la temperatura disminuye, si la cantidad de vapor de agua se mantiene constante, la humedad aumenta. Lo que explica que la humedad aumente generalmente por la noche..
La humedad relativa es la cantidad de agua que hay en el aire con relación a la máxima que puede tener a una determinada temperatura.

 

2.11. Saturación

 

Cuando una masa de aire contiene la máxima cantidad de vapor de agua admisible a una determinada temperatura, es decir, que la humedad relativa llega al cien por cien, el aire está saturado. Si estando la atmósfera saturada se le añade más vapor de agua, o se disminuye su temperatura, como ya hemos dicho, el sobrante se condensa. Cuando el aire contiene más vapor de agua que la cantidad que tendría en estado de saturación, se dice que está sobresaturado.

 

2.12. Punto de rocío

 

Si una masa de aire se enfría lo suficiente, alcanza una temperatura llamada punto de rocío, por debajo de la cual no puede mantener toda su humedad en estado de vapor y este se condensa, convirtiéndose en líquido, en forma de gotitas de agua. Si la temperatura es lo suficientemente baja se originan cristales de hielo.

 

2.13. El ciclo del agua

 

El agua del planeta sigue un ciclo continuo, dividido en las siguiente fases:
  • La energía calorífica de las radiaciones solares  calienta el agua de la superficie de los mares, océanos, lagos y ríos, que se evapora en forma de vapor de agua. La mayoría de este vapor la aportan las aguas de los océanos, especialmente de los tropicales. En las zonas terrestres la evaporación que proviene de los suelos húmedos y de la evaporatranspiración de la vegetación hace aumentar la humedad del aire.
  • Cuando se enfría el vapor de agua que asciende junto a las corrientes de aire, se forma una niebla de pequeñas gotas de agua o cristales de hielo que se denominan nubes.
  • El viento desplaza las nubes y las masas de aire húmedo.
  • Cuando el aire húmedo se enfría, se condensa el vapor de agua que contiene  y cae en estado líquido (lluvia) o sólido (nieve o granizo).
  • Una buena parte del agua de la lluvia llega a través de las cuencas hidrográficas a los ríos y mares. Otra parte del agua se infiltra en el suelo. Las aguas del subsuelo también provienen de la infiltración de las aguas superficiales de lagos embalses y ríos.
  • Estas aguas subterráneas fluyen por los acuíferos hasta salir por las fuentes, volver a los mares y lagos en el manto freático.
  • Los ríos acaban desembocando en un lago, mar o un granocéano después de recorrer una distancia que puede se desde unos pocos kilómetros hasta, en algunos casos, miles de kilómetros.