Tiempo y clima

Tiempo y clima

Estas son mis notas personales del curso Introduction to weather and climate short course de Mel Strong.

Tipos de nubes

• El sistema tradicional de clasificación de nubes tiene en cuenta tanto alturas como formas. La forma pueden ser cumuloform ("puffy", con posible desarrollo mayoritario tanto vertical como horizontal), stratoform ("big solid gray sky", una capa uniforme) o cirroform ("wispy", de formas muy variadas). La altura pueden ser alta (cirro-), media (alto-) o baja (-).
• Cumulus (Cu): suelen tener bases planas.
• Altocumulus (Ac): se ven más chicas por la altura pero también lo son, suelen formar patrones de parches (o a veces en filas), tienen sombras (se ven tridimensionales).
• Cirrocumulus (Cc): muy pequeñas y finas, se puede ver a través de ellas, tienen pocas sombras (se ven bidimensionales).
• Cumulonimbus (Cb): inicia como un cumulus y se desarrolla verticalmente (ocupa todas las capas de altura), único tipo de cumuloform capaz de precipitar, único tipo de nube capaz de un "yunque" de hielo en su parte superior (su presencia casi garantiza precipitación), su lluvia presenta un límite bien marcado.
• Stratocumulus (Sc): gran conjunto de cumulus que se tocan (o casi) entre sí, el tipo de nube más común en el mundo (pero ocurre mayormente sobre los océanos).
• Stratus (St): cielo gris donde no se ve el sol, puede tener un poco de textura.
• Altostratus (As): se ve donde está el sol pero aparece como una bola difusa.
• Cirrostratus (Cs): están hechas de hielo y casi no se ven, producen anillos alrededor del sol (que suelen tener colores de arcoíris).
• Nimbostratus (Ns): stratus que produce precipitación, no se ven los límites de la lluvia.
• Cirrus (Ci): están hechas solo de hielo, presentan una gran variedad de texturas (plumas, pelos, telarañas, densas, ganchos, líneas) pero siempre se distinguen sus bordes.

Algunos subtipos interesantes del sistema tradicional

• Lenticular: forma de disco, suelen crearse sobre picos de montaña, suelen estar fijas en un lugar.
• Mammatus: aire frío que se hunde en la base de los cumulonimbus.
• Niebla: stratus sobre la superficie terrestre.
• Noctilente: el tipo de nube que se forma a mayor altura (aprox 85km), solo existen cerca de los polos, solo se pueden ver tras el atarceder cuando son iluminadas por rayos que no llegan a la superficie terrestre.

Humedad

• El 99.9% de la atmósfera está compuesto por 78% N₂, 21% O₂ y 1% Ar (composición seca). El agua no se toma en cuenta para esos cálculos porque es un gas variable: puede representar entre el 0% y el 4% de los gases en el aire.
• La humedad se puede medir como un ratio de mezcla (gramos de vapor de agua en un kilo de aire).
• El aire tiene un límite acerca de cuánto vapor de agua puede contener (el aire se satura de agua). Ese límite de ratio de mezcla depende de la temperatura en una forma exponencial, lo cual implica que el aire frío es siempre seco mientras que el caliente tiene la capacidad de ser húmedo (aunque pueda no serlo).
• Cuando la temperatura baja, llega un punto en el que el aire no puede contener más agua, por lo que empieza a condensar (o helar si es debajo de 0º). Esta temperatura se llama punto de rocío: el aire es seco cuando es baja y húmedo cuando es alta.
• Agregar agua al aire incrementa tanto el ratio de mezcla como el punto de rocío (tengo que bajar menos la temperatura para saturar el aire si es más húmedo). El inverso también se cumple.
• La humedad también se puede medir de forma relativa: es el ratio de mezcla actual dividido el máximo posible (a una dada temperatura). Es proporcional a la cantidad de agua e inversamente proporcional a la temperatura.

Evaporación

• Siempre que un cuerpo de agua está expuesto a la atmósfera, hay un constante flujo de moléculas. La temperatura controla el ratio con el que se van del líquido (más temperatura implica más evaporación), mientras que la humedad relativa controla en ratio con el que entran (más % de humedad implica más condensación).
• La transición de líquido a gas absorbe energía térmica, por lo que la evaporación del sudor enfría al cuerpo. Si hay mucha humedad en el aire, el sudor no se evapora.

Formación de nubes

• El principio de formación de una nube es el mismo que el del rocío, pero en vez de formarse condensación en una superficie sucede en particulas microscópicas (0.0002mm) que se encuentran en la atmosfera. Pueden ser polvo de roca, ceniza, sal, polen, bacterias, etc.
• Las gotitas de agua que se encuentran en las nubes son microscópicas (0.02mm-0.05mm), mientras que las gotas de lluvia son considerablemente más grandes (2mm).
• El aire que sube se expande y se enfría, el aire que baja se comprime y se calienta. Esto sucede a un ratio de 9.8ºC/km cuando la humedad es menor al 100% o de 3.6-5.5ºC/km (depende de la temperatura) cuando la humedad es del 100% (asumiendo en ambos casos ausencia de intercambio de energía con el entorno). La tasa de enfriamiento es menor cuando el aire está saturado porque la condensación libera calor latente, contrarrestando parcialmente el enfriamiento por expansión.
• Cuando un "grupo" de aire cerca de la superficie está a una mayor temperatura que el resto de la atmósfera, comienza a subir. Continúa subiendo hasta que las temperaturas se igualan y luego baja, formando una celda de convección (terma). Si antes de que las temperaturas se igualen se llega al punto de rocío, se forma una nube.
• El proceso de convección explicado arriba es solo uno de las cuatro mecanismos principales de ascenso del aire y formación de nubes. Los otros son ascenso orográfico (ver "Circulación") , convergencia (ver "Circulación") y ascenso frontal (ver "Frentes").
• Una nube va a ser más alta mientras más caliente el aire en la superficie (el que sube) y mientras más frío el aire en la altura (el de la atmósfera).

Formación de precipitación

• En la parte superior de una cumuloninbus hay hielo. Un poco más abajo, el hielo convive con agua en estado supercongelado (gotas microscópicas debajo de 0ºC). De acuerdo al proceso de Bergeron, el agua supercongelada se une al hielo, lo cuál incrementa el tamaño de los cristales y los convierte en copos de nieve. Estos copos caen pero antes suelen derretirse cuando llegan a la parte inferior (líquida) de la nube, produciendo lluvia. Nota: este proceso es distinto en zonas tropicales debido a la altísima humedad, por lo que la lluvia en esa zona puede originarse como gotas de agua directamente.
• Aparte del aire caliente que sube en una nube (updraft), cuando hay precipitación también hay aire frío que baja (downdraft). El downdraft puede tomar una velocidad considerable (microburst), chocando a 110km/h con la superficie y generando un frente de salida (outflow) que se propaga hacia los costados (puede cruzar estados). Este proceso también ocurre si la lluvia se evapora antes de llegar a la superficie, formando una especie de tentáculos (virga).
• No está muy en claro cómo se forma el granizo, pero se cree que se produce cuando el updraft mantiene a los copos de nieve dando vueltas por más tiempo en la nube, permitiendo que crezcan mucho más.
• Por motivos no super entendidos, hay zonas en las nubes donde se acumulan carga negativas (suelen estar más abajo) y otras donde se acumulan cargas positivas (suelen estar más arriba). Cuando la carga acumulada llega a cierto punto, se empieza a emitir gas ionizado que se mueve de manera aleatoria (como una escalera). Como la base negativa de la nube induce una carga positiva en un entorno de la superficie terrestre, el gas ionizado positivo proveniente de la Tierra puede entrar en contacto con el ionizado negativo de la nube y producir un rayo. También puede suceder que los iones positivos vengan de la misma nube o de otra, produciendo rayos intranube o internube.
• Cuando se produce un rayo, el aire que atraviesa se calienta a miles de grados y se expande. Luego, como se produjo un vacío, la presión atmosférica colapsa el aire de manera violenta, produciendo un trueno.

Presión y viento

• La presión atmosférica no se siente porque las moléculas de aire ejercen la misma fuerza en todas las direcciones, por lo que se cancelan. Lo que sí se puede sentir es un desbalance de presiones.
• Hay un límite en la altura en la que se puede subir un líquido por un tubo al hacer succión: una vez que se extrae todo el aire, la presión atmosférica mantiene fijo el nivel (la fuerza que ejerce sobre la superficie del líquido hace que este suba por el tubo).
• Cuando los vientos en la tropopausa convergen y chocan, generan una columna de aire que desciende (no pueden ir más arriba de la tropopausa, es una barrera), produciendo un incremento (H) en la presión atmosférica en la superficie . En el caso de que los vientos diverjan, el proceso inverso tiene efecto y disminuye (L) la presión superficial. Tanto H como L no son procesos localizados: suelen abarcan varios países.
• En el ecuador hay una banda L (sobre todo en los océanos) debido a que la superficie es tan cálida y húmeda que el aire permanentemente tiende a subir. Hay una enorme cantidad de cumulonimbus.
• Los cambios de presión debido a la elevación del terreno son mucho mayores que los producidos por el clima, por lo que no se reporta la presión real sino una ajustada por altura (a nivel del mar). De esta forma, en todos los lugares del mundo la presión promedio es 1013hPa.
• El movimiento inicial del aire se debe a la Fuerza del Gradiente de Presión (FGP), que empuja el aire desde H hacia L. Sin embargo, la rotación de la Tierra introduce la Fuerza de Coriolis, que desvía este movimiento hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur.
• En la tropopausa, la FGP y Coriolis tienden a equilibrarse y el viento resultante fluye paralelo a las líneas isobáricas. Cerca de la superficie, la fricción con el terreno frena el viento, permitiendo que el viento cruce las isobaras ligeramente. La velocidad de los vientos aumenta con la intensidad del gradiente de presión.

Tropósfera y estratósfera

• La temperatura de la atmósfera disminuye a medida que se incrementa la altura hasta llegar a la tropopausa (aprox 11km), límite entre tropósfera y estratósfera. Del otro lado, la temperatura aumenta con la altura porque el ozono presente absorbe radiación ultravioleta del sol y libera calor.
• Los clorofluorocarburos que se liberaban a la atmósfera impeden la regeneración de las moléculas de ozono, aumentando considerablemente el famoso agujero de la capa de ozono. Tras varios tratados internacionales que comenzaron en 1987, el daño comenzó a recuperarse lentamente tras un mínimo en 2006. Los CFCs dejaron de usarse totalmente en 2015.
• Todas las nubes, el 99% de la humedad y el 75% de todo el aire de la atmósfera se encuentra en la tropósfera. En las demás capas el cielo se ve negro.
• Los gases cuyas moléculas son más pesadas suelen concentrarse más cerca de la superficie terrestre que las livianas (aunque todas son afectadas por la gravedad). De todas formas, las moléculas poseen energía cinética suficiente como para rebotar entre ellas y mantenarse en la atmósfera.

Frentes

• A nivel superficial la temperatura del aire varía aproximadamente con un gradiente que va del ecuador hacia los polos, aunque la temperatura sobre los continentes fluctúa mucho más que sobre los océanos (distinta capacidad térmica).
• A ~3km de altura la cuestión es distinta: la temperatura es bastante homogénea en una banda ancha en torno al ecuador, pero hay un marcado contraste llegando hacia los polos. El límite entre el aire caliente y el frío se llama frente polar, y su forma varía día a día.
• Cuando en un frente polar el aire caliente invade al aire frío, se forma un frente cálido: el aire caliente empuja al frío con una forma de rampa lenta de poca inclinación. Si un frente cálido viene hacia vos, vas a experimentar (en orden): cirrus, cirrostratus, altostratus, stratus, nimbostratus.
• El caso contrario (frío invade caliente) se llama frente frío: el aire frío empuja al caliente con una forma de rampa rápida de inclinación pronunciada. Si un frente frío viene hacia vos, es probable que experimentes cumulonimbus de manera repentina.
• Cuando tanto aire frío como aire caliente quieren invadirse a la vez, se forma un frente estacionario. Sus consecuencias son una mezcla de las de los frentes cálidos y fríos.
• Cuando un frente frío alcanza desde atrás a un frente cálido que va en la misma dirección (porque va más rápido), se forma un frente ocluído.
• Debido a la rotación de la Tierra, los frentes estacionarios que se forman en el frente polar comiezan a girar. Esto da inicio a un frente frío y a uno cálido que rotan en el mismo sentido (en torno a L), hasta que el primero alcanza al segundo y se ocluyen. Esto es lo que se llama un ciclón extratropical.
• Los ciclones tropicales (huracanes) poseen un mecanismo de formación distinto, que está relacionado con la alta tasa de evaporación de los océanos cálidos. No ocurren exactamente en la banda del ecuador (se necesita la rotación producida por el efecto Coriolis) pero sí a latitudes bajas.

Circulación

• La rotación de la Tierra hace que los vientos del este converjan cerca del ecuador, en la zona llamada ITCZ (intertropical convergence zone). Cuando convergen, estos suben debido a las altas temperaturas y forman una banda de enormes cumulonimbus (y de baja presión como se dijo más arriba).
• La ITCZ coincide con la banda de más alta temperatura y no se encuentra exactamente en el ecuador.
• Cuando el viento que sube en la ITCZ llega a la tropopausa, se dispersa hacia el norte y el sur hasta volver a caer alrededor de 30ºN y 30ºS de latitud, formando ahora dos bandas de alta presión. No son perfectas por la diferencia continente/océano, así que más bandas terminan siendo zonas más puntuales llamadas altas subtropicales.
• También hay bandas de presión baja a 60ºN y 60ºS, y puntos de presión alta en los polos. En total existen tres tipos de celdas (de menor latitud a mayor): Hadley (la de efectos más fuertes), Ferrel y Polar.
• Una tormenta que viene desde el oceáno se intensifica cuando llega a un continente porque recibe un boost de aire cálido. Si hay una montaña, la tormenta se incrementa todavía más al subir. Cuando baja del otro lado de la montaña, el proceso inverso ocurre pero no de forma simétrica debido a que el agua perdida como precipitación no se recupera (ya no tiene una fuente de humedad debajo). Este efecto conocido como sombra orográfica hace que las montañas tengan un lado seco y uno húmedo.

Cambios de estaciones

• El tiempo se refiere a las condiciones atmosféricas actuales, que son predecibles hasta no más de 5 días (es un sistema caótico). El clima se refiere a las condiciones promedio en un determinado lugar, y es predecible hasta décadas en adelante.
• Las estaciones no se deben a la distancia de la Tierra al sol, sino a la inclinación de la órbita terrestre.
• Los cambios de estaciones hacen que la ITCZ y las demás bandas L y H se desplacen a lo largo del año.

Monzones

• Debido a la distinta capacidad térmica entre continentes y océanos, se produce un reverso estacional en la dirección de los vientos, que a su vez puede implicar la existencia de una estación seca y una húmeda. Este proceso se llama monzón, y es más notorio en India y el sudeste asíatico porque la ITCZ pasa por arriba de esa zona.
• En invierno, el aire más cálido sobre los océanos sube y es reemplazado por el viento frío y seco proveniente de las montañas. En verano, el aire caliente continental es el que sube, dándole lugar al viento húmedo proveniente del oceáno.

El Niño y la Niña (ENSO)

• Los vientos producidos por los altos subtropicales hacen que las aguas frías de los polos se desplacen hacia el ecuador en las costas este, y que las aguas cálidas del ecuador se desplacen hacia los polos en las costas oeste. En el lado este, el agua desplazada en la superficie es reemplazada por agua más fría proveniente del fondo del océano, produciendo condiciones idóneas para la proliferación de peces.
• En el sur del océano Pacífico hay veces en que los vientos de su alto subtropical se debilitan (o incluso cambia de H a L y los vientos cambian de sentido), por lo que las costas oeste de sudamérica se calientan y los peces se alejan del continente. Este proceso se conoce como el Niño.
• El proceso contrario también puede ocurrir: los vientos de los altos subtropicales se incrementan y el agua de la costa oeste sudamericana se vuelve más fría. Este fenómeno es la Niña.
• Tanto el Niño y la Niña son eventos naturales no predecibles y suelen durar varios meses (~4 a 8). Solamente ocurren en el océano Pacífico porque es el único lo suficientemente grande para que sus efectos se noten, pero igual son capaces de afectar el clima de forma global (más que nada los niveles de precipitación).

Efecto invernadero

• La mayor parte de la radiación del sol que llega a la superficie terrestre es de onda corta (incluye hasta infrarojo cercano). La tierra absorbe una gran parte y emite radiación de onda larga (calor) hacia el espacio como respuesta.
• Tanto el O₂ como el N₂ son transparentes antes ambos tipos de radiaciones. En cambio, los gases de efecto invernadero (H₂O, CO₂, CH₄) son excitables cuando reciben radiación de onda larga, por lo que absorben una parte de ella y luego la emiten hacia una dirección aleatoria. Este proceso es el efecto invernadero y es necesario para hacer posible la vida en la Tierra.
• Si bien el agua no absorbe radiación de onda corta, las nubes son capaces de difractarla y reflejarla. Esto reduce la energía que llega hasta la superficie y ayuda a disminuir la temperatura. Pero como el agua también es un gas de efecto invernadero, cuando está nublado no solo se obtienen días frescos sino también noches cálidas.
• En los últimos 100 años, los humanos hemos emitido una cantidad sin precedentes de gases de efecto invernadero a la atmósfera, provocando un aumento gradual en la temperatura global promedio.
• Si bien el agua es el gas de efecto invernadero más abundante en la atmósfera, su cantidad no puede aumentar desproporcionadamente porque termina precipitando en el corto plazo. Esto no sucede con los otros gases, que permanecen en la atmósfera por muchos años.
• En USA, el 82.2% de la contribución al efecto invernadero es producida solo por emisiones de CO₂. De ese porcentaje, la amplia mayoría (más del 90%) proviene de combustibles fósiles, que a su vez de subdivide en: 38% generación de energía, 34% transporte, 16% industria, 7% residencial y 5% comercial. Otro 10% de la contribución es producida por emisiones de CH₄, que se debe en mayor medida a la ganadería, la extracción de gas natural y los vertederos. Y el 5.1% restante es producida por emisiones de N₂O, debida de manera desproporcionada a la fertilización de suelo agrícola. (Ver las gráficas de EPA para valores globales).

Ciclo del carbono

• Reservas de carbono y flujos netos:
  • Vegetación: 600 Tg (+2,6 Tg/año)
  • Atmósfera: 829 Tg (+4 Tg/año)
  • Océano: 38.000 Tg (+2,3 Tg/año)
  • Suelo: 2.000 Tg
  • Combustibles fósiles: 4.100 Tg
  • Rocas carbonatadas: 80.000.000 Tg
• Agregar CO₂ a los océanos genera ácido carbónico, lo cual afecta a los corales y a toda la biodiversidad que depende de ellos.
• La curva de Keeling muestra que la evolución del CO₂ en la atmósfera a lo largo del tiempo tiene dos componentes. Una es una oscilación natural que se repite todos los años (debido a la diferencia entre cantidad de vegetación entre hemisferios: valle cuando es verano en el norte y pico cuando es invierno), y la otra es un incremento cuasi lineal causado por las emisiones humanas de los últimos 150 años.