TEMA 4.

DINÁMICA DE LAS MASAS FLUIDAS

La atmósfera se formó como consecuencia del proceso de desgasificación sufrido por la Tierra desde los inicios.

Podemos clasificar los componentes atmosféricos en tres grupos:

• Mayoritarios.

• Minoritarios. Que por estar en muy pequeñas proporciones se miden en partes por millón y que se dividen a su vez en reactivos y no reactivos.

• Variables. Como el vapor de agua y los contaminantes, cuyas proporciones están sujetas a fluctuaciones.

La atmósfera se encuentra dividida en una serie de capas superpuestas de características fisicoquímicas diferentes.

• La troposfera.

Es la capa inferior de la atmósfera. Su altitud es variable estacionalmente (más alta en verano que en invierno) y latitudinalmente.

La troposfera es la zona más densa de la atmósfera, pues, debido a la compresibilidad, los gases se concentran en su parte más baja. Los primeros 500 metros se denominan capa sucia, porque en ellos se concentra el polvo en suspensión. Este polvo contribuye a la coloración rojiza del cielo del amanecer y atardecer, sirviendo además como núcleo de condensación que facilita el paso del vapor de agua atmosférico de gas a líquido. Los fenómenos meteorológicos más importantes tienen lugar en esta parte de la atmósfera. La temperatura de la troposfera es máxima en su parte inferior, y a partir de ahí comienza a descender con la altura hasta alcanzar un valor mínimo (-70º C) en su parte final, la tropopausa.

• La estratosfera.

Se extiende desde el final de la troposfera hasta la estratopausa, situada a 50 ó 60 km de altitud. Existen movimientos horizontales de aire, debido a su disposición en estratos superpuestos. Además, no existen nubes, salvo en su parte inferior, en la que se forman unas de hielo cuya estructura es muy tenue (noctilucientes). Desde el km 30 hasta la estratopausa tiene lugar un aumento progresivo en la formación del ozono atmosférico.

• La mesosfera.

Se extiende desde los 50-60 km hasta la mesopausa, situada hacia el km 80. Su temperatura disminuye de nuevo hasta aproximadamente -80ºC.

• La ionosfera o termosfera.

Esta parte de la atmósfera se prolonga por encima de la mesosfera. En ella la temperatura aumenta hasta unos 1.000ºC, debido a la absorción de las radiaciones solares de onda más corta. La termosfera finaliza en la termopausa, situada hacia el km 600.

• La exosfera.

Es la última capa, y su límite viene marcado por una densidad atmosférica similar a la del espacio exterior.

Llamamos presión atmosférica al peso ejercido por la masa de aire atmosférico sobre la superficie terrestre. Este valor se mide gracias al barómetro, y su valor a nivel del mar y en condiciones normales es de 1 atmósfera (760 mm Hg, 1.013 milibares).

El aire es muy compresible, por lo que la presión disminuye con la altura.

La presión suele representarse mediante isobaras, que son líneas que unen los puntos de igual presión.

En la ionosfera, las radiaciones electromagnéticas de onda corta (rayos X y rayos gamma) son absorbidas por el H2 y el N2, y al ionizarse provocan el incremento en la temperatura de esta capa. Las capas ionizadas poseen la facultad de reflejar las ondas de radio procedentes del Sol y de la Tierra.

En la estratosfera se encuentra la mayor parte del ozono atmosférico, aunque también exista en la troposfera.

El ozono es una molécula triatómica (O3) gaseosa y de olor picante. Se concentra entre los 15 y los 30 km de altura, aunque abunda más hacia los 25 km. La capa de ozono presenta un espesor variable, máximo en el ecuador y mínimo en los polos, siendo este gas transportado de unos lugares a otros por la circulación horizontal de esta capa.

Las cantidades de ozono estratosférico sufren variaciones diarias y estacionales, en función de la radiación solar.

La cantidad de radiación incidente sobre la Tierra, o balance de radiación solar, depende de factores como la distancia al Sol, la estructura física y la composición química de la atmósfera

• El efecto invernadero natural.

El efecto invernadero lo observamos en nuestra troposfera, pero se puede producir en cualquier planeta cuya atmósfera posea moléculas poliatómicas CO2, H2O, CH4 y N2O. Gracias a él existe agua líquida, y por tanto vida sobre la Tierra, pues la temperatura media del planeta es de unos 15º C.

• Anticiclón o buen tiempo.

La situación conocida como subsidencia es inversa a la convección, pues la propicia el descenso hacia la superficie de una masa de aire frío que se va secando por calentamiento. En superficie, las subsidencias van a generar un anticiclón por incremento en la presión atmosférica. Debido al aplastamiento contra el suelo, los vientos partirán desde el centro hacia fuera, impidiendo la entrada de precipitaciones, con lo que el tiempo será seco.

Las altas presiones o anticiclón están asociadas a un descenso del gradiente de temperatura y a la formación de inversiones térmicas en la atmósfera inferior.

• Ciclón o borrasca.

La inestabilidad atmosférica se produce cuando existen movimientos ascendentes de una masa de aire cuya temperatura varíe conforme al gradiente dinámico GAS (1ºC/100 m), en el seno de una masa aérea estática o ambiental, cuyas variaciones térmicas verticales se correspondan con el GVT. Para que el ascenso sea posible tiene que cumplir la relación GVT>GAS o, lo que es lo mismo, que el aire exterior se enfríe más deprisa que el interior. Al existir movimientos verticales, el aire ascendente va a crear una especie de vacío en superficie que da lugar a un descenso de presión o situación de borrasca y una afluencia del viento circundante que es atraído hacia el centro de la misma, pudiéndose producir precipitaciones en los casos en los que la masa ascendente llegue a condensar.

Las condiciones de inestabilidad atmosféricas son propicias para la eliminación de la contaminación, ya que el aire ascendente provoca la elevación y dispersión de la misma.

• Gradiente vertical de temperatura (GVT).

Este gradiente representa la variación vertical en la temperatura del aire en condiciones estáticas de reposo, que suele ser, de unos 0,65ºC/100 m. Dicha cantidad no es uniforme.

• Inversión térmica.

Es el espacio en el cual la temperatura aumenta con la altura en vez de disminuir. Las inversiones térmicas impiden los movimientos verticales del aire y pueden representarse a cualquier altura de la troposfera.

El ciclo del agua es un sistema cerrado y, además, una máquina térmica que, al estar formada por un fluido de elevado calor específico, constituye un eficaz mecanismo de transformación de la energía solar en calor latente y sensible, y posee una elevada capacidad de transporte de los mismos a través de todos los sistemas terrestres.

El agua pasa de la hidrosfera a la atmósfera mediante la evaporación, proceso originado por la transformación del calor sensible en calor latente. El enfriamiento ascendente produce su condensación y la formación de nubes, y por medio de la precipitación el agua es devuelta en forma líquida o sólida a la superficie terrestre. El agua que cae sobre el continente puede seguir varios caminos: el de escorrentía superficial, que consiste en su desplazamiento en superficie hacia las zonas más bajas, ya sea de manera libre o encauzada por los ríos; la retenida, cuya cantidad está en función de las características de empapamiento del suelo, del clima y de la acción de los seres vivos que la incorporan, y el de infiltración, que atravesando las capas permeables del terreno, se incorpora a las aguas freáticas.

El transporte hasta el mar va a estar supeditado a su energía potencial, que es directamente proporcional a la masa de agua, a la fuerza de gravedad y a su altitud respecto al nivel del mar. El agua que se incorporó a la biosfera retorna a la atmósfera por el proceso de transpiración.

El desplazamiento de estas corrientes están está marcado por el sentido de los vientos dominantes, aunque su trayectoria puede ser modificada por la presencia de masas continentales que dificultan la transferencia de calor hacia las zonas polares, favoreciendo la formación de casquetes de hielo.

Las trayectorias más significativas son de tipo anticiclónico en ambos hemisferios. El giro lo inician los alisios, que las desplazan hacia el oeste, originando aridez en la margen continental que abandonan, al arrastrar las nubes con ellas. Al llegar a las proximidades de las costas occidentales retornan, constituyendo la denominada deriva del oeste. Cuando alcanzan las costas orientales, estas corrientes sufren una doble desviación: hacia las zonas polares (suavizando su clima) y hacia las ecuatoriales (refrescándolas).

También están las frías del polo norte que discurren paralelas a las costas occidentales, como la corriente del Labrador, la de Kanchatka y la de Groenlandia. La corriente circumpolar antártica, rodea sus costas en sentido horario.

Estos desplazamientos se originan debido a las diferencias en la densidad del agua, que es mayor cuanto más fría y/o salada esté aquélla, tendiendo a hundirse para dar lugar a una circulación termohalina (temperatura-salinidad).

El motor oceánico funciona con la energía solar, de arriba abajo, siendo el enfriamiento invernal de las capas superiores el que origina el descenso y provoca un afloramiento del agua más profunda y cálida para ocupar su lugar.

En ciertas ocasiones el descenso puede verse dificultado por aporte de agua dulce o por la existencia de una precipitación superior a la evaporación. En lugares donde la evaporación es elevada o el enfriamiento superficial es fuerte, el agua fría y más salada se hundirá, alcanzando el fondo.

En la zona donde los alisios desplazan el agua superficial, originando el inicio de las corrientes superficiales de giro anticiclónico, se produce el ya conocido afloramiento de aguas frías desde las profundidades en sustitución de la desplazada por los citados vientos.

Se viene observando aproximadamente cada cuatro años por Navidad: los alisios amainan, no se produce el afloramiento, se forma la termoclina, el agua superficial se caldea, la nubes quedan rezagadas en la costa este con la formación de una borrasca sobre la zona, habitualmente árida, y la riqueza pesquera decae.

Algunos científicos piensan que puede ser producto del calentamiento climático generalizado; otros buscan la explicación en una reactivación de la actividad volcánica en las dorsales oceánicas próximas.

La teoría de la deriva continental (Weneger) y la de la tectónica de placas avalan el hecho de que la distribución de los continentes ha sufrido grandes modificaciones a lo largo de los tiempos geológicos. La presencia de un supercontinente (Pangea), además de frenar y modificar las corrientes oceánicas y atmosféricas va a fomentar las condiciones anticiclónicas continentales persistentes, con vientos divergentes desde el interior del mismo y grandes contrastes de temperatura entre las zonas ecuatoriales y las polares.

• La glaciación del Carbonífero.

Tuvo lugar a finales del Paleozoico y afectó solamente al polo sur y a las cumbres de las cadenas montañosas más elevadas. El ensamblaje de la Pangea va a dar lugar a la orogenia hercínica, que provoca el enterramiento de bosques de helechos, dando lugar a yacimientos de carbón. La fusión continental se completó en el Pérmico, último periodo del Paleozoico, originando un clima árido y desértico que se prolongó hasta el Triásico medio (primer periodo del Mesozoico), momento en el que la Pangea comienza su fragmentación.

• La extinción de los dinosaurios.

Durante el Jurásico, la Pangea II se está dividiendo en dos continentes, uno al norte y otro al sur. La apertura de los grandes océanos produce cambios en las corrientes oceánicas, aumentando el transporte de calor hacia altas latitudes. El clima se hace tropical y muy favorable para el desarrollo de los grandes reptiles.

Las erupciones volcánicas, al igual que las nubes, ejercen un efecto dual sobre el clima, en función de sus emisiones.

Las glaciaciones del Cuaternario se han estudiado a partir de testigos de hielo de los glaciares, comprobando que las burbujas de aire atrapadas en ellos contienen menor cantidad de CO2 durante los periodos de enfriamiento. Se ha buscado la explicación en las diferencias en la cantidad de radiación incidente sobre la Tierra, los denominados ciclos astronómicos de Milankovith, o en la frecuencia de manchas solares. Los ciclos astronómicos se deben a tres factores:

• La excentricidad de la órbita que describe la Tierra en torno al Sol, que ha variado de circular a elíptica aproximadamente cada 100.000 años.

• La oblicuidad del eje respecto al plano de la elíptica, que determinará las características estacionales.

• La posición en el perihelio: cuando existe excentricidad la iluminación depende de la posición en la órbita, es decir, de si el verano coincide en el perihelio (posición más próxima al Sol) o en afelio (posición más alejada del Sol). Cuando el verano del hemisferio norte coincide en perihelio existirá un mayor contraste térmico en dicho hemisferio, lo que generará un transporte de calor ecuador-polos más eficaz.

CIENCIAS DE LA TIERRA Y DEL MEDIO AMBIENTE

1ª EVALUACIÓN 3