Transferencia de energía y fenómenos meteorológicos extremos
En mayo, una tarde calurosa en Oklahoma: el cielo está despejado y el aire se siente pesado y húmedo. Tres horas después suenan las sirenas. ¿De dónde sale la energía de una tormenta capaz de generar un tornado? Al final de la página lo sabrás: casi toda viene del Sol, pero viaja por el agua y el aire de maneras muy distintas.
Tres formas de mover la energía térmica
La energía térmica siempre se mueve de lo más caliente a lo más frío. Puede hacerlo de tres maneras.
| Mecanismo | Cómo funciona | Ejemplo en la Tierra |
|---|---|---|
| Conducción | Choques entre partículas vecinas, por contacto directo | El estacionamiento de asfalto caliente calienta el aire pegado al suelo |
| Convección | Movimiento de un fluido (aire o agua): el fluido caliente es menos denso y sube | Una masa de aire cálido que asciende en una tarde de verano |
| Radiación | Ondas electromagnéticas; no necesita materia | La luz del Sol que atraviesa el espacio y calienta la superficie |
El aire es mal conductor, así que la conducción solo calienta una capa delgada junto al suelo. Luego la convección se encarga de llevar esa energía hacia arriba. Por eso las tormentas de verano suelen formarse por la tarde, cuando el suelo ya acumuló calor.
Nombra las tres formas en que se transfiere la energía térmica. Da un ejemplo de cada una en la atmósfera o en la superficie de la Tierra (por ejemplo, desde un…
Nombra las tres formas en que se transfiere la energía térmica. Da un ejemplo de cada una en la atmósfera o en la superficie de la Tierra (por ejemplo, desde un estacionamiento caliente, desde el Sol o en una masa de aire cálido que asciende).
Calor latente y huracanes
Cuando el agua líquida se evapora, absorbe energía y se la "guarda" en el vapor. Cuando el vapor se condensa en gotas, libera esa energía al aire. Se llama calor latente. Para la condensación del vapor de agua, son unos $2.26 \times 10^{6}\ \text{J}$ por cada kilogramo.
Esa liberación calienta el aire dentro de la nube, lo hace menos denso y lo hace subir más rápido. Entonces entra más aire húmedo desde abajo y se repite el ciclo. Un huracán funciona así: es un motor de calor latente.
Por eso los huracanes necesitan agua superficial de al menos unos $26.5\,^\circ\text{C}$. Con agua más fría, se evapora poco vapor, se libera poco calor latente y el sistema no se sostiene. Sobre tierra firme se queda sin su "combustible" y se debilita.
El origen de esa energía es el Sol: su radiación calienta el océano, el agua se evapora (la energía queda en el vapor), el vapor asciende por convección y, al condensarse, la libera a la atmósfera.
El vapor de agua libera energía cuando se condensa en gotas de agua líquida. Nombra esta energía y explica por qué es importante para la intensidad de los huracanes, que…
El vapor de agua libera energía cuando se condensa en gotas de agua líquida. Nombra esta energía y explica por qué es importante para la intensidad de los huracanes, que necesitan agua oceánica cálida de al menos unos $26.5\,^\circ\text{C}$.
La condensación del vapor de agua libera unos $2.26 \times 10^{6}\ \text{J}$ de energía por kilogramo. Una tormenta eléctrica grande condensa unos…
La condensación del vapor de agua libera unos $2.26 \times 10^{6}\ \text{J}$ de energía por kilogramo. Una tormenta eléctrica grande condensa unos $5.0 \times 10^{8}\ \text{kg}$ de agua (valor ilustrativo).
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Calcula la energía total liberada.
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Una kilotonelada de TNT equivale a $4.184 \times 10^{12}\ \text{J}$. Expresa tu resultado en kilotoneladas de TNT.
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Explica de dónde provino originalmente esta energía, siguiéndola a través de la hidrosfera y la atmósfera.
Ingredientes del tiempo severo y tornados
Una tormenta eléctrica severa necesita cuatro ingredientes:
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Humedad: aire con punto de rocío alto (por ejemplo, 18 °C o más), que aporta calor latente.
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Inestabilidad: aire cálido cerca del suelo y mucho más frío arriba, de modo que una burbuja de aire que sube siga subiendo.
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Ascenso inicial: algo que empuje el aire hacia arriba, como un frente, una línea seca o el calentamiento del suelo.
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Cizalladura del viento: el viento cambia de velocidad o de dirección con la altura. Esto hace rotar la corriente ascendente y puede producir una supercelda y tornados.
En la primavera, el centro de EE. UU. (el Callejón de los Tornados, Tornado Alley) recibe aire cálido y húmedo del Golfo de México que viaja hacia el norte, y aire frío y seco que baja desde Canadá o las Rocosas. Cuando chocan, el aire cálido, menos denso, es empujado hacia arriba sobre el frente. Con cizalladura, esas tormentas pueden rotar.
Al centro de Estados Unidos se le suele llamar el Callejón de los Tornados (Tornado Alley). Nombra los dos tipos de masas de aire que suelen encontrarse allí en…
Al centro de Estados Unidos se le suele llamar el Callejón de los Tornados (Tornado Alley). Nombra los dos tipos de masas de aire que suelen encontrarse allí en primavera y explica en una o dos oraciones por qué su encuentro produce tormentas eléctricas severas.
En una tarde de primavera cerca de Dallas, Texas, la temperatura en superficie es de $27\,^\circ\text{C}$ y el punto de rocío es de $21\,^\circ\text{C}$, con un viento…
En una tarde de primavera cerca de Dallas, Texas, la temperatura en superficie es de $27\,^\circ\text{C}$ y el punto de rocío es de $21\,^\circ\text{C}$, con un viento del sureste de $5\ \text{m/s}$. A unos 5 km de altitud, los vientos soplan del oeste a $30\ \text{m/s}$. Una capa seca y cálida se encuentra sobre el aire húmedo de la superficie y un frente frío se acerca desde el noroeste.
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Identifica los ingredientes para tormentas eléctricas severas y tornados que están presentes en este escenario (humedad, inestabilidad, ascenso del aire y cizalladura del viento) y justifica cada uno.
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Explica cómo el golfo de México, la superficie terrestre y la atmósfera intercambian energía térmica para producir estas condiciones.
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Predice el tipo de tiempo severo más probable y explica una acción humana que reduzca el riesgo.
Inundaciones repentinas y marejadas ciclónicas
Escorrentía y urbanización
No toda la lluvia se infiltra. El coeficiente de escorrentía $C$ es la fracción que corre por la superficie:
$$V_{\text{escorrentía}} = C \times V_{\text{lluvia}}, \qquad V_{\text{lluvia}} = \text{área} \times \text{profundidad}$$El bosque absorbe mucha agua ($C \approx 0.10$); el pavimento casi nada ($C \approx 0.90$).
En una ciudad como Houston, el pavimento y los techos impiden la infiltración. El agua llega de golpe a los arroyos y drenajes, y el pico de la crecida es más alto y más rápido. Por eso la urbanización aumenta el riesgo de inundaciones repentinas.
Huracanes y el océano
Un océano más cálido (por ejemplo, de 27 °C a 30 °C) proporciona más evaporación y más calor latente, lo que puede aumentar la intensidad (vientos máximos y lluvia). La frecuencia es cuántos huracanes ocurren por temporada; la intensidad, qué tan fuertes son. Ejemplo de cambio de frecuencia: pasar de 6 a 9 huracanes por temporada. Ejemplo de cambio de intensidad: que una mayor fracción de ellos alcance categoría 4 o 5.
La marejada ciclónica es el aumento del nivel del agua causado por el viento y la baja presión del huracán. Se suma al nivel del mar de base. Si el mar ya subió $0.3\ \text{m}$, la misma marejada inunda a $0.3\ \text{m}$ más de profundidad, sin que el viento cambie. Los humedales y manglares frenan las olas y absorben agua; rellenarlos quita esa protección.
Una cuenca de $2.0\ \text{km}^2$ recibe $50\ \text{mm}$ de lluvia en una tormenta. El coeficiente de escorrentía (la fracción de la lluvia que se convierte en…
Una cuenca de $2.0\ \text{km}^2$ recibe $50\ \text{mm}$ de lluvia en una tormenta. El coeficiente de escorrentía (la fracción de la lluvia que se convierte en escorrentía superficial) es 0.10 para el bosque y 0.90 para el pavimento.
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Calcula el volumen total de lluvia que cae (en m$^3$).
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Calcula el volumen de escorrentía si la cuenca es un bosque y si está totalmente pavimentada.
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Explica cómo la urbanización cambia el riesgo de inundaciones repentinas en una ciudad como Houston.
La temperatura de la superficie del mar en una parte del golfo de México sube de $27\,^\circ\text{C}$ a $30\,^\circ\text{C}$ durante el verano. 1. Explica cómo el agua…
La temperatura de la superficie del mar en una parte del golfo de México sube de $27\,^\circ\text{C}$ a $30\,^\circ\text{C}$ durante el verano.
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Explica cómo el agua más cálida aumenta la energía disponible para un huracán.
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Explica cómo el aumento del nivel del mar puede hacer que la marejada ciclónica sea más destructiva aunque la rapidez del viento no cambie.
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Distingue entre un cambio en la frecuencia y un cambio en la intensidad de los huracanes y da un ejemplo de cada uno.
Dos condados costeros del Golfo enfrentan un huracán con una marejada ciclónica de $3.0\ \text{m}$. El condado A tiene pantanos y manglares intactos y viviendas de baja…
Dos condados costeros del Golfo enfrentan un huracán con una marejada ciclónica de $3.0\ \text{m}$. El condado A tiene pantanos y manglares intactos y viviendas de baja densidad. El condado B ha rellenado la mayor parte de sus humedales, tiene viviendas densas en terrenos de solo $1.5\ \text{m}$ sobre el nivel actual del mar y ha tenido $0.3\ \text{m}$ de aumento del nivel del mar en las últimas décadas.
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Calcula qué profundidad tendría el agua de la inundación sobre el terreno más bajo del condado B (ignorando las olas) y compárala con la situación si el nivel del mar no hubiera subido.
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Analiza los factores naturales y humanos que afectan la gravedad de los daños en cada condado.
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Escribe un argumento CER que indique qué decisiones humanas podrían reducir más el daño de futuros huracanes y qué factores las personas no pueden controlar.
Vuelve al principio: la tormenta de Oklahoma recibe su energía del Sol, que calienta el Golfo; el agua se evapora, el vapor viaja al norte, y al condensarse libera calor latente. La cizalladura y el choque de masas de aire hacen el resto.