Estructura y Dinámica de la Atmósfera: Capas, Variables y Fenómenos Meteorológicos

La Atmósfera Terrestre: Estructura y Variables Clave

La atmósfera es la capa gaseosa y estratificada verticalmente en sus propiedades físicas que rodea nuestro planeta. Se extiende hasta aproximadamente 1000 km de altitud.

Capas de la Atmósfera

Troposfera

Se extiende desde la superficie terrestre hasta aproximadamente 13 km de altitud. Contiene el 75% de la masa total de la atmósfera. En ella tienen lugar la mayoría de los fenómenos atmosféricos, abundando las corrientes verticales. Es la capa más perturbada y baja de la atmósfera.

Tropopausa

Es una capa de transición entre la troposfera y la estratosfera. Entre sus bordes discurren las corrientes en chorro (jet streams), que son regiones con vientos intensos de gran influencia en la formación de borrascas. Su altura no es constante, variando espacial y temporalmente según la estación del año y la latitud.

Estratosfera

Se extiende de 13 a 50 km de altitud. Verticalmente, se caracteriza por ser prácticamente isoterma en su parte más baja, con temperaturas que oscilan entre -40ºC y -3ºC. Contiene la capa de ozono (O3), que absorbe la radiación ultravioleta (UV) y calienta el aire.

Mesosfera

Se ubica entre los 50 y 85 km. La temperatura decrece con la altura, alcanzando hasta -90ºC. Los valores de presión son muy bajos, alrededor de 1 hPa.

Termosfera

Se extiende de 85 a 500 km. La temperatura crece con la altura. El aire es muy poco denso, compuesto principalmente por O2 y N2. Por encima de los 200 km, el oxígeno atómico absorbe fotones UV, calentándose hasta más de 1200ºC.

Exosfera

Se sitúa entre los 500 y 1000 km. Se encuentra dentro de la magnetosfera y es la zona de transición entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario. Aquí orbitan satélites polares y otros satélites artificiales. No se puede hablar de una temperatura definida y la densidad es inapreciable.

Ionosfera

No es una capa independiente, sino una región dentro de la mesosfera y termosfera, caracterizada por una gran cantidad de electrones e iones. Se subdivide en capas D (50-90 km), E (90-140 km) y F (140-210 km). Los átomos se rompen por efecto de la radiación solar, formando pares de iones y electrones libres. Esta ionización permite la reflexión de ondas electromagnéticas, crucial para las comunicaciones por radio.

Variables Atmosféricas Fundamentales

Temperatura (Tª)

Representa el intercambio de calor. Se mide con termómetros, que pueden basarse en la dilatación de un líquido, la variación de la resistencia eléctrica de un material o la variación de presión de un gas a volumen constante. Existen diferentes tipos: ordinarios, de máxima, de mínima, de máxima y mínima, y termómetros de sonda.

Presión Atmosférica

Es el peso por unidad de área de la columna de aire situada por encima de un punto dado. Su conocimiento permite estimar los vientos y el estado del tiempo en general. Disminuye con la altura (aproximadamente 1 hPa cada 9 metros). Es una magnitud medible. En el siglo XVII, los experimentos de Viviani y Torricelli sentaron las bases para su medición. Se emplean barómetros de mercurio, aneroides y barógrafos. Requiere correcciones por instrumental, temperatura y gravedad. Equivalencias: 1 atmósfera (atm) = 101.325 hPa = 1013.25 mb.

Marea Barométrica y Tendencia

La marea barométrica se refiere a las variaciones regulares de la curva diaria de presión. En situaciones de inestabilidad, las variaciones de la curva son irregulares. Es especialmente alta en los trópicos, con una amplitud de hasta 3 mb.

La tendencia barométrica es la variación de presión entre dos observaciones consecutivas.

Líneas Isométricas en Meteorología

• Isobaras: Líneas que unen puntos de igual valor de presión atmosférica.
• Isolábaras: Líneas que unen puntos de igual tendencia barométrica.
• Isohipsas: Representan el relieve en altura o geopotencial. Unen los diferentes puntos que representan el mismo valor de presión a diferentes alturas.

Gradiente de Presión

Es la diferencia de presión por unidad de distancia. Un gradiente de presión elevado indica vientos más intensos.

Formas Isobáricas y Sistemas de Presión

Las formas isobáricas son las diferentes configuraciones de las isobaras en un mapa de superficie. Solo se representan en mapas de superficie.

Ley de Buys-Ballot

Establece que la dirección del viento debe ser tangente a las curvas isobáricas en condiciones de atmósfera libre. En el hemisferio norte, si nos enfrentamos al viento, el centro de baja presión (depresión) quedará a nuestra derecha (circulación antihoraria). A mayor gradiente de presión, mayor intensidad del viento.

Sistemas de Presión

• Alta Presión (Anticiclón): Regiones de buen tiempo, generalmente de gran extensión.
• Baja Presión (Borrasca/Depresión): Regiones de menor extensión, que suelen desplazarse de oeste a este, asociadas a nubosidad y precipitaciones.

Fenómenos y Estructuras Isobáricas Específicas

• Ciclón Tropical: Bajas presiones poco extensas con grandes gradientes de presión y vientos muy intensos.
• Depresión Secundaria: Borrasca satélite englobada dentro de otra principal.
• Vaguada: Isobaras en forma de "V" o "U" invertida, con los vértices sensiblemente paralelos, indicando una zona de baja presión alargada.
• Desfiladero de Bajas: Garganta que une dos borrascas consecutivas.
• Dorsal o Cuña Anticiclónica: Isobaras en forma de "U" que engloban zonas de alta presión.
• Puente Anticiclónico: Banda de altas presiones que une dos anticiclones consecutivos.
• Pantano Barométrico: Región de forma irregular con presión bastante uniforme y gradientes débiles.
• Collado Barométrico: Región limitada por dos anticiclones y dos borrascas dispuestos en cruz, donde los gradientes de presión son mínimos.

Principios Físicos y Conceptos Meteorológicos

Ley de los Gases (Gay-Lussac)

La presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta si el volumen se mantiene constante. En la atmósfera, el aire cálido es menos denso y tiende a ascender, lo que se asocia con bajas presiones en superficie, mientras que el aire frío es más denso y desciende, asociado a altas presiones. Ejemplos de altitudes típicas para ciertas presiones: 850 hPa a ~1500 m, 500 hPa a ~5500 m.

Densidad del Aire

Es la cantidad de masa por unidad de volumen. Según la Ley de Boyle-Mariotte, la densidad del aire aumenta en relación directa con la presión y disminuye en relación inversa con la temperatura.

Conceptos Meteorológicos Clave

Variables Meteorológicas Adicionales

Además de las ya mencionadas (temperatura, presión, densidad), otras variables fundamentales incluyen:

• Vapor de Agua: Cantidad de vapor de agua presente en el aire.
• Nubes: Masas visibles de gotas de agua líquida o cristales de hielo suspendidas en la atmósfera.
• Precipitación: Cualquier forma de agua que cae de la atmósfera a la superficie terrestre (lluvia, nieve, granizo, etc.).
• Vientos: Movimiento del aire en la atmósfera.

Tiempo y Clima

• Tiempo Meteorológico: Se refiere a las condiciones atmosféricas en un instante y lugar determinado.
• Clima: Es la acumulación y promedio de los elementos meteorológicos diarios y estacionales de una región durante un período de tiempo prolongado (generalmente 30 años).

Humedad y Punto de Rocío

El aire es capaz de retener una cierta cantidad de vapor de agua, una función creciente con la temperatura. Si se supera este límite, el vapor comienza a condensarse, alcanzando una humedad relativa del 100%.

La tensión de saturación de vapor es la presión parcial del vapor de agua en el límite de saturación. La humedad relativa es el cociente entre la presión parcial de vapor de agua y su valor en el límite de saturación (tensión de saturación).

La temperatura del punto de rocío (Tª de rocío) se utiliza para describir el grado de humedad del aire. Es la temperatura a la que una masa de aire tendría que enfriarse (a presión constante) para que su tensión de vapor alcanzara la saturación. Si la humedad relativa no es del 100%, la temperatura del punto de rocío siempre será más baja que la temperatura ambiente.