The Universe in the Classroom

El trastorno de los planetas, de las estrellas y de las chimeneas de lava

¡Oh, un día con smog!

No todos los fluídos calientes sufren convección. Un día con smog en Los Angeles o cualquier otra gran ciudad ilustra lo que sucede cuando hay cosas que no conveccionan. El aire sólo se asienta y no se mueve. ¿Por qué no?

La convección no puede ocurrir a menos que ciertas condiciones sean las adecuadas. La condición más importante es el perfil de temperatura. Normalmente, el aire es más caliente cerca del suelo y se hace más frío a medida que ascendemos. Afuera de la ventana de un avión a 9000 metros de altura, el aire baja a -40 grados C. La razón es sólo una: debido a la transparencia del aire, la luz del Sol lo atraviesa y calienta el suelo. El suelo, por su parte, calienta el aire cercano a él. El aire que se encuentra a mayor distancia del piso no es calentado directamente por el Sol.

Debido a que el aire se hace cada vez mas frío a medida que ascendemos, la atmósfera necesita producir convección. El aire frío está arriba del aire caliente. El aire caliente desea ascender, el aire frío, descender, el ciclo convectivo comienza.

Algunas veces, sin embargo, el suelo se vuelve más frío que el aire que se encuentra sobre él. Esto puede ocurrir después de una noche clara durante la cual el suelo se haya enfriado más de lo usual, cosa que puede suceder en valles donde el piso se vea modulado por colinas que atrapen el aire frío cerca de la superficie. En estos casos, el aire es frío cerca del suelo y se hace más caliente a medida que ascendemos. Esta situación se denomina inversión de la temperatura. No puede producirse convección debido a que el aire caliente se sitúa sobre el aire frío. El aire frío ya está sumergido, el aire caliente ya está elevado. La atmósfera está feliz; no hay razón para cambiar el status quo.

Sin convección, el aire se estanca, al igual que cualquier cosa suspendida en él, tal como el humo. Usualmente, la convección arrastra lejos el humo de los coches. Cuando ocurre una inversión de temperatura, el humo no tiene lugar a dónde ir, excepto dentro de los ojos y los pulmones.

Afortunadamente, esto no es lo habitual. Los 10 kilómetros inferiores de la atmósfera terrestre, el aire que se sitúa debajo de Ud. cuando vuela en avión o escala el monte Everest, son casi siempre convectivos. Esta agitada región, conocida como tropósfera, es donde las variaciones del clima tienen lugar (ver Figura 5). Todos los planetas tienen tropósfera.

temperature profile
Figura 5
Perfil de temperatura de la atmósfera terrestre. Tornados, tormentas y otras características climáticas tienen lugar en la tropósfera, la capa inferior de la atmósfera. La convección es responsable de una gran parte de la meteorología. Si no fuera por el perfil de temperatura, la convección no podría ocurrir: debido a que la temperatura decrece con la altura, el aire frío se sitúa sobre el aire caliente, permitiendo la convección. Pero si por alguna razón la temperatura se incrementara con la altura (línea punteada), la convección se quebrantaría hasta detenerse. Esto sucede en días con humo en áreas urbanas y, siempre, en la estratósfera.

Muchas de las características climáticas en la tropósfera ocurren debido a la convección. Las brisas marinas son un buen ejemplo. Durante el día, la tierra se calienta más rápidamente que el mar. El aire sobre el suelo es caliente, el aire sobre el agua, frío. El aire caliente sobre la tierra y el aire frío sobre el mar se "pelean" por intercambiar sus lugares. Esto produce viento que sopla desde el océano hacia la tierra, la brisa marina. En la noche, la situación se revierte, la tierra se enfría más rápidamente que el mar, por lo que el aire sobre el suelo está a menor temperatura que el aire sobre el agua. El aire caliente sobre el agua asciende, el aire frío desde la tierra entra precipitadamente en el mar y se produce una brisa terrestre.

La misma cosa ocurre a escala global. Los trópicos son más cálidos que los polos y esta discrepancia suministra energía a los ciclos convectivos "gigantes" llamados Celdas de Hadley. En tales ciclos, el aire asciende en latitudes bajas y cálidas, moviendose hacia los polos, se hunde en latitudes altas y se precipita a lo largo de la superficie regresando hacia el ecuador (estas corrientes convectivas no presentan direcciones netas hacia el norte o el sur; varían su curso debido a la rotación de la Tierra, creando corrientes con dirección este en los trópicos y aquellas con dirección prevaleciente al oeste en latitudes templadas). Los hemisferios norte y sur tienen, cada uno, tres juegos de Celdas de Hadley, uno en los trópicos, uno para latitudes templadas y otro para las regiones polares. En el hemisferio norte, el límite entre la celda del Ártico y la emplada, llamado frente polar, rara vez permanece quieto. Entrelaza el norte con el sur, y sus movimientos son responsables de las características climáticas en Europa, América del Norte y norte de Asia. Venus y Marte también tienen celdas de Hadley, pero un solo conjunto de ellas.

Por arriba de la inquieta tropósfera está la amortiguada estratósfera. En la estratósfera, distinta de la tropósfera, el aire se hace más caliente a medida que ascendemos. En la Tierra esto es debido al hecho de que la capa de ozono absorbe la radiación solar ultravioleta. El ozono no sólo impide que estos rayos mortales alcancen la superficie, también calienta la estratósfera. Como resultado, la estratósfera está estática. El aire no puede circular demasiado.

Jupiter, Saturno y Titán también tienen estratósferas. En estos mundos la estratósfera debe su existencia a la absorción de radiación solar por el metano y el polvo, en vez de por el ozono. Venus tiene una especie de estratósfera---la temperatura se mantiene aproximadamente constante con la altura, en lugar de incrementarse---debido a las peligrosas nubes de ácido sulfúrico hasta una altura de unos 65 kilómetros. Estas nubes delgadas absorben prácticamente toda la luz solar que llega a Venus y nos impiden ver la superficie del planeta.

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