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Ciencias de la Tierra · Ciencias de la Tierra y el Espacio
Sistemas oceánicos y dinámica del clima · Estructura de la atmósfera, energía y tiempo meteorológico

Estratificación atmosférica y celdas de circulación

Cuando subes a Pikes Peak, en Colorado, el aire se siente cada vez más frío y más delgado. En un avión a 11 km de altura, la temperatura exterior ronda los $-56\,^\circ\text{C}$. Pero si siguieras subiendo, ¡el aire volvería a calentarse! ¿Por qué cambia así la temperatura con la altura? ¿Y por qué las tormentas cruzan Estados Unidos casi siempre de oeste a este? En esta página responderemos las dos preguntas.

Las capas térmicas de la atmósfera

Los científicos dividen la atmósfera en capas según cómo cambia la temperatura al subir. Mira la figura: la temperatura baja, sube, baja y vuelve a subir.

Perfil de temperatura de la atmósfera con la altitud y sus cuatro capas: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. Temperatura (aumenta hacia la derecha) Altitud Troposfera (0–12 km) Estratosfera (12–50 km) Mesosfera (50–85 km) Termosfera (más de 85 km) Capa de ozono

De abajo hacia arriba:

Capa Altitud aproximada Temperatura al subir Dato clave
Troposfera 0–12 km Baja (de unos $15\,^\circ\text{C}$ a $-56\,^\circ\text{C}$) Aquí ocurre casi todo el tiempo meteorológico
Estratosfera 12–50 km Sube (hasta cerca de $-2\,^\circ\text{C}$) Contiene la capa de ozono
Mesosfera 50–85 km Baja (hasta unos $-90\,^\circ\text{C}$) Aquí se queman la mayoría de los meteoros
Termosfera más de 85 km Sube mucho Aire muy escaso; auroras

Las fronteras entre capas se llaman tropopausa, estratopausa y mesopausa.

¿Por qué baja la temperatura en la troposfera? El suelo absorbe la luz del Sol y calienta el aire desde abajo. Cuanto más lejos del suelo, menos calor recibe el aire. El gradiente de temperatura promedio es

$$\text{gradiente}=\frac{\Delta T}{\Delta h}$$

Ejemplo: de $15\,^\circ\text{C}$ a nivel del mar a $-56\,^\circ\text{C}$ a 12 km, el cambio es $-71\,^\circ\text{C}$ en 12 km, es decir, unos $-5.9\,^\circ\text{C}$ por km.

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Enumera las cuatro capas térmicas principales de la atmósfera en orden, desde la superficie de la Tierra hacia arriba. Luego nombra la capa en la que ocurre la mayor…

Enumera las cuatro capas térmicas principales de la atmósfera en orden, desde la superficie de la Tierra hacia arriba. Luego nombra la capa en la que ocurre la mayor parte del tiempo meteorológico.

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Un globo meteorológico registra estas temperaturas: | Altitud (km) | 0 | 12 | 20 | 50 | 85 | |---|---|---|---|---|---| | Temperatura ($^\circ$C) | 15 | -56 | -56 | -2 |…

Un globo meteorológico registra estas temperaturas:

Altitud (km) 0 12 20 50 85
Temperatura ($^\circ$C) 15 -56 -56 -2 -90
  1. Identifica la capa entre cada par de altitudes consecutivas.

  2. Calcula el gradiente de temperatura promedio en la troposfera en $^\circ\text{C}$ por km.

  3. Explica qué te dice la tendencia de temperatura entre 20 y 50 km sobre la fuente de calor de esa capa.

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El ozono y el calor de la estratosfera

En la estratosfera, la temperatura sube con la altitud. La razón es el ozono ($\text{O}_3$). Ocurre en dos pasos:

$$\text{O}_2+\text{UV}\rightarrow 2\,\text{O}\qquad\qquad \text{O}+\text{O}_2\rightarrow \text{O}_3$$
  1. La radiación ultravioleta (UV) del Sol rompe una molécula de oxígeno en dos átomos sueltos.

  2. Cada átomo suelto se une a otra molécula de $\text{O}_2$ y forma ozono.

El ozono también absorbe luz UV (sobre todo la UV-B y la UV-C) y la convierte en calor. Como la UV es más intensa en la parte alta de la estratosfera y el ozono la absorbe, esa zona es la más cálida. Por eso la temperatura sube de unos $-56\,^\circ\text{C}$ a unos $-2\,^\circ\text{C}$ entre 20 y 50 km.

Esta absorción es vital: la UV daña el ADN, causa quemaduras y cáncer de piel, y dañaría el fitoplancton y los cultivos. La capa de ozono funciona como un protector solar para la vida.

El ozono es un gas traza: hay muy poco, pero cumple un papel enorme. Su efecto depende de dónde está. En la estratosfera protege. En la troposfera, cerca del suelo, el ozono es un contaminante que irrita los pulmones y daña las plantas, porque lo respiramos. Es la misma molécula, pero en otro lugar.

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Nombra la capa atmosférica que contiene la capa de ozono. Indica qué tipo de radiación absorbe el ozono y por qué esto es importante para los seres vivos.

Nombra la capa atmosférica que contiene la capa de ozono. Indica qué tipo de radiación absorbe el ozono y por qué esto es importante para los seres vivos.

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En la estratosfera, el oxígeno y el ozono interactúan con la luz ultravioleta (UV): $$\text{O}2 + \text{UV} \rightarrow 2\,\text{O}, \qquad \text{O} + \text{O}2…

En la estratosfera, el oxígeno y el ozono interactúan con la luz ultravioleta (UV):

$$\text{O}_2 + \text{UV} \rightarrow 2\,\text{O}, \qquad \text{O} + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_3.$$
  1. Explica cómo estas reacciones forman la capa de ozono.

  2. Explica por qué la temperatura en la estratosfera aumenta con la altitud, a diferencia de la troposfera.

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Capas químicas y capas térmicas

Hay otra forma de dividir la atmósfera: por su composición. Hasta unos 100 km el aire está bien mezclado y tiene casi siempre las mismas proporciones: unos 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 0.9% de argón. Esta región se llama homosfera. Por encima de unos 100 km, el aire es tan escaso que los gases se separan por masa molecular: los más ligeros quedan arriba. Esa región es la heterosfera.

Las capas térmicas, en cambio, cambian en altitudes mucho menores (por ejemplo, la tropopausa está a unos 12 km). Un mismo punto puede estar en la troposfera (capa térmica) y en la homosfera (capa química).

Capas térmicas Capas químicas
Se definen por Cómo cambia la temperatura Cómo está mezclada la composición
Divisiones Troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera Homosfera y heterosfera
Frontera principal A 12, 50 y 85 km A unos 100 km
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La atmósfera está formada por aproximadamente 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 0.9% de argón en volumen. Estas proporciones se mantienen casi constantes hasta unos 100…

La atmósfera está formada por aproximadamente 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 0.9% de argón en volumen. Estas proporciones se mantienen casi constantes hasta unos 100 km, donde la mezcla da paso a la separación según la masa molecular. Mientras tanto, las capas definidas por la temperatura (troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera) cambian a altitudes mucho menores.

  1. Compara la estratificación química con la estratificación térmica de la atmósfera.

  2. Explica por qué el ozono, un gas traza, es esencial en la estratosfera pero es un contaminante en la troposfera.

  3. Explica cómo los clorofluorocarbonos (CFC) dañaron la capa de ozono y por qué el acuerdo internacional para eliminarlos gradualmente es un ejemplo de acción eficaz.

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Celdas de circulación global

El Sol calienta más el ecuador que los polos. Para repartir ese calor, el aire se mueve en grandes anillos llamados celdas. En cada hemisferio hay tres:

  • Celda de Hadley (0°–30°): el aire cálido y húmedo asciende en el ecuador, cerca de $0^\circ$, y forma lluvias tropicales. En altura se desplaza hacia los polos, se enfría y desciende cerca de $30^\circ$ de latitud.

  • Celda de Ferrel (30°–60°): se mueve como un engranaje entre las otras dos. El aire desciende a $30^\circ$ y asciende a unos $60^\circ$.

  • Celda polar (60°–90°): el aire frío desciende en los polos y fluye hacia el ecuador cerca de la superficie, hasta ascender a unos $60^\circ$.

Corte del hemisferio norte con las celdas de Hadley, Ferrel y polar, mostrando dónde asciende y desciende el aire. 0° (ecuador) 30° N 60° N 90° N → Vientos en superficie: alisios ← | del oeste → | polares ← Celda de Hadley Celda de Ferrel Celda polar Sube Baja Sube Baja

En la figura, el aire sube cerca de $0^\circ$ y de $60^\circ$ y baja cerca de $30^\circ$ y en el polo. El aire que desciende está seco, porque ya perdió su humedad al subir. Esa es la clave de los desiertos: cerca de $30^\circ$ de latitud el aire desciende, se calienta y se seca, y casi no se forman nubes. Allí están el Sahara y el desierto de Sonora, entre otros. En cambio, cerca del ecuador, donde el aire sube, hay selvas lluviosas.

Los vientos en superficie no van recto de norte a sur, porque la rotación de la Tierra los desvía (efecto Coriolis): hacia la derecha en el hemisferio norte.

  • Entre $0^\circ$ y $30^\circ$ (Hadley): los vientos del este, llamados vientos alisios (trade winds). Soplan del noreste al suroeste.

  • Entre $30^\circ$ y $60^\circ$ (Ferrel): los vientos del oeste (westerlies), que soplan del suroeste al noreste.

  • Entre $60^\circ$ y $90^\circ$ (polar): los vientos polares del este (polar easterlies).

Estados Unidos continental está casi todo entre $25^\circ$ y $49^\circ$ N, dentro de la zona de los vientos del oeste. Por eso los sistemas de tormentas suelen moverse de oeste a este: un frente que se forma sobre el Pacífico llega después a Denver, luego a Chicago y finalmente a Nueva York.

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Describe la celda de Hadley. Indica dónde el aire asciende, dónde desciende y las latitudes aproximadas en cada caso.

Describe la celda de Hadley. Indica dónde el aire asciende, dónde desciende y las latitudes aproximadas en cada caso.

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El modelo de tres celdas de la circulación global tiene celdas de Hadley, de Ferrel y polares en cada hemisferio. 1. Describe la dirección de los vientos en superficie a…

El modelo de tres celdas de la circulación global tiene celdas de Hadley, de Ferrel y polares en cada hemisferio.

  1. Describe la dirección de los vientos en superficie a $15^\circ\text{N}$ y a $45^\circ\text{N}$.

  2. Explica por qué muchos de los grandes desiertos de la Tierra, como el Sahara y el desierto de Sonora, se encuentran cerca de los $30^\circ$ de latitud.

  3. Explica por qué las tormentas se mueven generalmente de oeste a este a través de Estados Unidos.

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La corriente en chorro

En la tropopausa, cerca de los límites entre celdas, hay ríos de aire muy rápido: las corrientes en chorro (jet streams). La corriente en chorro polar está cerca del límite entre la celda de Ferrel y la polar, y sopla de oeste a este a unos 9-12 km de altura, a veces a más de 200 km/h. Los pilotos la aprovechan: un vuelo de Los Ángeles a Nueva York es más corto en tiempo que el de regreso, porque lleva viento de cola (la distancia es la misma).

¿Qué la acelera? El contraste de temperatura entre el aire frío del norte y el cálido del sur. Cuanto mayor es la diferencia horizontal de temperatura, más fuerte es el contraste de presión y más rápido sopla el chorro.

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La corriente en chorro polar se encuentra cerca del límite entre la celda de Ferrel y la celda polar. Supón que, a la altitud de la corriente en chorro, la temperatura…

La corriente en chorro polar se encuentra cerca del límite entre la celda de Ferrel y la celda polar. Supón que, a la altitud de la corriente en chorro, la temperatura promedio a $40^\circ\text{N}$ es $-45\,^\circ\text{C}$ en invierno y a $60^\circ\text{N}$ es $-65\,^\circ\text{C}$, mientras que en verano estas temperaturas son $-48\,^\circ\text{C}$ y $-55\,^\circ\text{C}$.

  1. Calcula la diferencia de temperatura norte-sur en cada estación.

  2. Explica cómo una diferencia de temperatura mayor afecta la intensidad de la corriente en chorro.

  3. Predice en qué se diferencian la corriente en chorro y la trayectoria típica de las tormentas sobre Estados Unidos entre el invierno y el verano, y justifica tu respuesta.

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Volvamos al principio: la temperatura sube y baja porque cada capa tiene una fuente de calor distinta (el suelo en la troposfera, el ozono en la estratosfera), y las tormentas van de oeste a este porque Estados Unidos está en la zona de los vientos del oeste y bajo el chorro polar.

Resumen

  • La atmósfera tiene cuatro capas térmicas: troposfera (0–12 km), estratosfera (12–50 km), mesosfera (50–85 km) y termosfera (más de 85 km). El tiempo meteorológico ocurre sobre todo en la troposfera.

  • La temperatura baja con la altura en la troposfera (unos $6\,^\circ\text{C/km}$) porque el suelo calienta el aire. En la estratosfera sube porque el ozono absorbe UV.

  • Las capas químicas (homosfera y heterosfera) se definen por la mezcla de gases, no por la temperatura.

  • Hay tres celdas por hemisferio: Hadley, Ferrel y polar. Donde el aire desciende (cerca de $30^\circ$) hay desiertos; donde asciende (ecuador y $60^\circ$) hay lluvia.

  • Los vientos son alisios, del oeste y polares del este. La corriente en chorro es más fuerte cuando la diferencia de temperatura norte-sur es mayor.

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