24Los vientos y la circulación general

Durante siglos, los veleros que salían de los puertos de Europa y de África hacia América contaron con un viento constante del este, que sopla a ambos lados del ecuador y los llevaba a través del Atlántico. Los marinos de todo el mundo lo conocían, y el primer comercio con América dependía de él: es el alisio. Todavía hoy, los barcos de carga aprovechan los alisios, y las corrientes oceánicas que estos impulsan, para acortar sus travesías.

¿Por qué el alisio sopla del este, y siempre en los mismos lugares? ¿Por qué hay desiertos cerca de los trópicos y selvas tropicales cerca del ecuador? La respuesta empieza por el Sol.

Lo que ya sabes

El viento es aire en movimiento (los libros de física). El aire presiona sobre todo lo que toca, y la presión disminuye con la altura (Capítulo 23). El tiempo meteorológico ocurre en la troposfera, la capa más baja de la atmósfera. La Tierra tiene zonas climáticas: cálidas y húmedas cerca del ecuador, con selvas tropicales; desiertos cálidos y secos cerca de los trópicos; zonas templadas y luego frías hacia los polos (Capítulo 11).

24.1 El Sol calienta la Tierra de manera desigual

A mediodía, el día de un equinoccio, el Sol está justo en la vertical del ecuador. Allí sus rayos llegan casi verticales y caen sobre una pequeña superficie de suelo. Más al norte o más al sur, los mismos rayos llegan inclinados y se reparten sobre una superficie mayor: cada metro cuadrado recibe menos de su energía. A $60{}^{\circ}$ de latitud, el mismo haz cubre el doble de suelo que en el ecuador, así que cada metro cuadrado recibe la mitad.

A medida que la Tierra gira alrededor del Sol, su eje inclinado hace que el Sol en la vertical se desplace entre los dos trópicos, lo que da las estaciones (los libros de física); pero durante todo el año, las regiones cercanas al ecuador reciben mucha más energía que las cercanas a los polos. Este calentamiento desigual es el motor principal de los vientos: la atmósfera lleva aire cálido hacia los polos y aire frío hacia el ecuador.

24.2 Aire que sube y aire que baja

El aire cálido es más ligero que el aire frío: sube, y el aire más fresco de alrededor acude a ocupar su lugar. Donde el aire sube, presiona menos sobre el suelo: allí la presión es baja. Donde el aire baja, presiona más: la presión es alta. En el suelo, el viento sopla de las altas presiones hacia las bajas presiones. Subiendo, enfriándose, bajando y volviendo, el aire da vueltas en un circuito.

Definición 24.1 (Célula de convección)

Una célula de convección de la atmósfera es un circuito de aire en movimiento: el aire calentado desde abajo sube, se extiende en altura, se enfría y baja en otro lugar, y vuelve a ras de suelo hasta el lugar donde subió. Bajo el aire que sube, la presión es baja; bajo el aire que baja, es alta.

En el laboratorio — El aire cálido sube

En el interior, recorta una espiral en una hoja de papel fino, como la piel de una manzana, y cuélgala de su centro con un hilo. Sujétala muy por encima de un radiador caliente en invierno (nunca sobre una llama ni una vela): empieza a girar despacio. El aire calentado por el radiador sube y empuja la espiral. Sujétala cerca de una ventana fría: ¿gira en el otro sentido, o no gira?

Las células de convección más pequeñas se notan un día soleado en la playa. La tierra y el mar reciben el mismo sol, pero los rayos del Sol no penetran en el suelo, mientras que el mar reparte su calor en una capa gruesa de agua. Así que la tierra se calienta mucho más de día y se enfría mucho más de noche.

Definición 24.2 (Brisa marina y brisa terrestre)

Una brisa marina es un viento que sopla del mar hacia la tierra durante el día, cuando la tierra está más caliente que el mar. Una brisa terrestre sopla de la tierra hacia el mar durante la noche, cuando la tierra se ha vuelto más fría que el mar.

24.3 Los vientos globales

Lo mismo ocurre a la escala de toda la Tierra. Cerca del ecuador, el aire, muy calentado, sube; se extiende en altura hacia los polos y vuelve a bajar hacia los $30{}^{\circ}$ de latitud. Como media a lo largo de muchos años, la troposfera de cada hemisferio gira en tres grandes células de convección: una del ecuador a unos $30{}^{\circ}$, otra de unos $30{}^{\circ}$ a unos $60{}^{\circ}$, y otra de unos $60{}^{\circ}$ al polo. Los meteorólogos las llaman células de Hadley, de Ferrel y polar. Sus límites se desplazan con las estaciones, y la célula del medio es una media aproximada de muchas borrascas que pasan.

Los vientos que soplan a ras de suelo irían directamente de las altas a las bajas presiones si la Tierra no girara. Como la Tierra gira, el aire en movimiento se desvía: hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. Así que el aire que vuelve hacia el ecuador no llega del norte, sino del nordeste en el hemisferio norte y del sudeste en el hemisferio sur.

Definición 24.3 (Los vientos globales)

Los vientos de superficie que soplan con más frecuencia en cada franja de latitud son:

• los alisios, entre el ecuador y unos $30{}^{\circ}$, que soplan del nordeste en el hemisferio norte y del sudeste en el hemisferio sur;
• los vientos del oeste, entre unos $30{}^{\circ}$ y $60{}^{\circ}$, que soplan del oeste (del sudoeste en el hemisferio norte, del noroeste en el sur);
• los vientos polares del este, entre unos $60{}^{\circ}$ y los polos, que soplan del este.

Método 24.4 (Hallar el viento global a una latitud)

1. Busca la franja: del ecuador a unos $30{}^{\circ}$, de $30{}^{\circ}$ a $60{}^{\circ}$, o de $60{}^{\circ}$ al polo.
2. Busca hacia dónde se mueve el aire a ras de suelo en esa franja: hacia el ecuador en la primera y en la última franja, hacia el polo en la del medio.
3. Desvía ese movimiento: hacia la derecha en el hemisferio norte, hacia la izquierda en el hemisferio sur.
4. Di de dónde viene el viento: los vientos se nombran según la dirección desde la que soplan.

Ejemplo 24.5 (El viento a $40{}^{\circ}$ sur)

A $40{}^{\circ}$ S estamos en la franja del medio, entre $30{}^{\circ}$ y $60{}^{\circ}$. Allí el aire se mueve a ras de suelo hacia el polo, es decir, hacia el sur. En el hemisferio sur se desvía hacia la izquierda: para un aire que va hacia el sur, la izquierda es el este, así que el aire acaba moviéndose hacia el sudeste. Por tanto, viene del noroeste: es uno de los vientos del oeste, que sopla del noroeste.

Cerca del ecuador, donde se encuentran los alisios de los dos hemisferios, los vientos amainan: los marinos llamaron a esta franja de calma las calmas ecuatoriales. Allí el aire cálido y húmedo sube, se enfría y da chubascos y tormentas persistentes. Hacia los $30{}^{\circ}$, bajo el aire que baja, los vientos son flojos y la lluvia es escasa.

Definición 24.6 (Circulación general de la atmósfera)

La circulación general de la atmósfera es el movimiento de aire a gran escala alrededor del planeta, que se ve cuando se promedian los vientos a lo largo de muchos años. Lleva calor del ecuador hacia los polos, y vapor de agua de una franja de latitud a otra.

24.4 La circulación general y las zonas climáticas

La circulación general explica buena parte del mapa de los climas. Donde el aire sube, cerca del ecuador, se enfría y su vapor de agua se convierte en nubes: la lluvia es frecuente, y crecen las selvas tropicales. Donde el aire baja, hacia los $30{}^{\circ}$ norte y sur, se calienta al descender, sus nubes se disipan y la lluvia es escasa: los grandes desiertos cálidos, como el Sáhara, están en estas franjas. En las latitudes medias, los vientos del oeste traen una borrasca tras otra, con lluvia en todas las estaciones.

Ejemplo 24.7 (Cuatro ciudades, cuatro franjas)

Las cuatro ciudades de los climogramas del Capítulo 11 están todas en el hemisferio norte, a latitudes muy distintas. Su lluvia y su nieve anuales siguen las franjas de la circulación general (gráfico de abajo). Hilo, a $20{}^{\circ}$ N, está en una isla de la franja de los alisios, en medio del océano, donde los alisios se cargan de vapor de agua: allí caen unos $3000\,\mathrm{mm}$ al año. Phoenix, a $33{}^{\circ}$ N, está cerca de los $30{}^{\circ}$, bajo el aire que baja: menos de $200\,\mathrm{mm}$. Seattle, a $47{}^{\circ}$ N, está en los vientos del oeste, cuyas borrascas traen unos $1000\,\mathrm{mm}$ al año, la mayor parte de otoño a primavera. Utqiaġvik, a $71{}^{\circ}$ N, está bajo el aire frío que baja cerca del polo: menos de $150\,\mathrm{mm}$, un desierto frío.

Cuatro ciudades no son más que cuatro puntos: las montañas, las costas y los mares fríos o cálidos también cambian la cantidad de lluvia que recibe un lugar. Las franjas dan el esquema general del mapa de los climas, no la lluvia de cada ciudad.

24.5 Ejercicios

Ejercicio 24.1 ★

Di qué viento global sopla con más frecuencia: (a) a $15{}^{\circ}$ norte; (b) a $45{}^{\circ}$ sur; (c) a $75{}^{\circ}$ norte; (d) a $20{}^{\circ}$ sur. Da cada vez su dirección.

Solución

Solución de Ejercicio 24.1.

(a) El alisio del nordeste, del nordeste. (b) Los vientos del oeste, del noroeste. (c) Los vientos polares del este, del este (del nordeste). (d) El alisio del sudeste, del sudeste.

Ejercicio 24.2 ★

Completa cada frase. (a) El aire cálido … y el aire frío …. (b) Bajo el aire que sube, la presión en el suelo es …. (c) En el suelo, el viento sopla de las presiones … hacia las presiones …. (d) En el hemisferio norte, la rotación de la Tierra desvía el aire en movimiento hacia la ….

Solución

Solución de Ejercicio 24.2.

(a) El aire cálido sube y el aire frío baja. (b) Baja. (c) De las altas presiones hacia las bajas presiones. (d) Hacia la derecha.

Ejercicio 24.3 ★

¿Verdadero o falso? Corrige las frases falsas. (a) Una brisa marina sopla de la tierra hacia el mar. (b) De día, la tierra se calienta más deprisa que el mar. (c) Los alisios soplan del oeste. (d) Muchos grandes desiertos están cerca de los $30{}^{\circ}$ de latitud.

Solución

Solución de Ejercicio 24.3.

(a) Falso: una brisa marina sopla del mar hacia la tierra (de día). (b) Verdadero. (c) Falso: soplan del este (del nordeste o del sudeste). (d) Verdadero.

Ejercicio 24.4 ★

Dibuja una costa con el mar a la izquierda y la tierra a la derecha. Añade el Sol y dibuja luego con flechas el circuito de aire de la brisa marina. Marca con A y B dónde es alta y dónde es baja la presión en el suelo.

Solución

Solución de Ejercicio 24.4.

El dibujo muestra un circuito: a ras de suelo, una flecha del mar hacia la tierra; sobre la tierra, una flecha que sube; en altura, una flecha que vuelve de la tierra sobre el mar; sobre el mar, una flecha que baja. La A se marca en el suelo bajo el aire que baja (sobre el mar), y la B bajo el aire que sube (sobre la tierra).

Ejercicio 24.5 ★★

Usa la tabla de los haces de este capítulo. (a) A $45{}^{\circ}$, ¿cuánto más suelo cubre un haz que en el ecuador? (b) ¿Qué porcentaje de la energía del ecuador recibe cada metro cuadrado a $60{}^{\circ}$? (c) ¿Y a $75{}^{\circ}$? (d) Explica en una frase por qué los polos son fríos.

Solución

Solución de Ejercicio 24.5.

(a) 1.41 veces más suelo. (b) 50 %. (c) 26 %. (d) Cerca de los polos, la luz del Sol llega inclinada y se reparte sobre una gran superficie, así que cada metro cuadrado recibe poca energía.

Ejercicio 24.6 ★★

Un barco navega rumbo al sur a través del hemisferio norte y después del hemisferio sur. (a) ¿Qué vientos encuentra, en orden, de $70{}^{\circ}$ N a $70{}^{\circ}$ S? (b) ¿Dónde es probable que encuentre calma y chubascos frecuentes? (c) ¿Dónde son los vientos flojos y la lluvia escasa?

Solución

Solución de Ejercicio 24.6.

(a) Vientos polares del este (de $70{}^{\circ}$ a $60{}^{\circ}$ N), vientos del oeste (de $60{}^{\circ}$ a $30{}^{\circ}$ N), alisios del nordeste (de $30{}^{\circ}$ N al ecuador), alisios del sudeste (del ecuador a $30{}^{\circ}$ S), vientos del oeste (de $30{}^{\circ}$ a $60{}^{\circ}$ S), vientos polares del este (de $60{}^{\circ}$ a $70{}^{\circ}$ S). (b) Cerca del ecuador, en las calmas ecuatoriales. (c) Hacia los $30{}^{\circ}$ N y los $30{}^{\circ}$ S, bajo el aire que baja.

Ejercicio 24.7 ★★

En una playa hace $31{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre la arena a las 3 de la tarde y $22{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre el mar. A las 3 de la madrugada hace $17{}^{\circ}\mathrm{C}$ en tierra y $21{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre el mar. (a) ¿Qué está más caliente a las 3 de la tarde? ¿Hacia dónde sopla el viento? (b) ¿Y a las 3 de la madrugada? (c) ¿Cuántos grados cambia la temperatura de la tierra entre las dos horas? ¿Y la del mar? (d) Explica la diferencia.

Solución

Solución de Ejercicio 24.7.

(a) La tierra ($31 > 22$): el viento sopla del mar hacia la tierra, una brisa marina. (b) El mar ($21 > 17$): el viento sopla de la tierra hacia el mar, una brisa terrestre. (c) La tierra: $31 - 17 = 14$ grados; el mar: $22 - 21 = 1$ grado. (d) Los rayos del Sol solo calientan una capa fina de suelo, que se calienta y se enfría deprisa; el mar reparte su calor en una capa gruesa de agua, así que su temperatura apenas cambia entre el día y la noche.

Ejercicio 24.8 ★★

El aire se mueve desde la franja de altas presiones de los $30{}^{\circ}$ N hacia el ecuador. (a) Sin la rotación de la Tierra, ¿de qué dirección soplaría? (b) ¿Hacia qué lado lo desvía la rotación en este hemisferio? (c) ¿De qué dirección sopla entonces? (d) Responde a las mismas tres preguntas para el aire que se mueve hacia el ecuador desde los $30{}^{\circ}$ S.

Solución

Solución de Ejercicio 24.8.

(a) Del norte. (b) Hacia la derecha. (c) Del nordeste (es el alisio del nordeste). (d) Sin rotación soplaría del sur; la rotación lo desvía hacia la izquierda; sopla del sudeste.

Ejercicio 24.9 ★★

Explica, paso a paso, por qué llueve tan a menudo cerca del ecuador: usa las palabras calentado, sube, se enfría, nubes. Después explica por qué hay un desierto hacia los $25{}^{\circ}$ N en el norte de África: usa las palabras baja, altas presiones, seco.

Solución

Solución de Ejercicio 24.9.

Cerca del ecuador, el suelo y el mar están muy calentados por el Sol; el aire cálido y húmedo sube; al subir se enfría, y su vapor de agua se convierte en nubes, que dan chubascos y tormentas. Hacia los $25{}^{\circ}$ N, el aire que subió en el ecuador baja; debajo hay altas presiones en el suelo; el aire que baja se calienta, sus nubes se disipan y la región se mantiene seca: un desierto.

Ejercicio 24.10 ★★

Un velero sale de un puerto situado a $40{}^{\circ}$ N, en la costa occidental de Europa, hacia el Caribe, a $15{}^{\circ}$ N. (a) ¿Qué viento encontraría a $40{}^{\circ}$ N? ¿Le ayudaría a navegar hacia el oeste? (b) ¿Por qué debería el barco navegar primero hacia el sur? (c) ¿Qué viento lo lleva hacia el oeste, y entre qué latitudes? (d) Para el viaje de vuelta a Europa, ¿qué viento debería buscar el barco, y a qué latitud?

Solución

Solución de Ejercicio 24.10.

(a) Los vientos del oeste. No: soplan del oeste, en contra de un barco que navega hacia el oeste. (b) Para llegar a la franja de los alisios, al sur de unos $30{}^{\circ}$ N. (c) El alisio del nordeste, entre el ecuador y unos $30{}^{\circ}$ N. (d) Los vientos del oeste, al norte de unos $30{}^{\circ}$ N (hacia los $40{}^{\circ}$ N, la latitud del puerto de origen).

Ejercicio 24.11 ★★★

A la latitud $L$, un haz de luz solar a mediodía en un equinoccio cubre $1 \div \cos L$ veces el suelo que cubre en el ecuador (con una calculadora, $\cos 60^\circ = 0.5$). (a) Comprueba el valor para $60{}^{\circ}$. (b) Usando $\cos 30^\circ \approx 0.866$, comprueba el valor para $30{}^{\circ}$, redondeado a dos decimales. (c) Supón que un panel solar colocado en horizontal recibe $1000\,\mathrm{W}$ por cada metro cuadrado a mediodía en el ecuador ese día. ¿Cuánto recibiría, más o menos, el mismo panel a $30{}^{\circ}$? ¿Y a $60{}^{\circ}$?

Solución

Solución de Ejercicio 24.11.

(a) $1 \div 0.5 = 2$: la tabla da 2. (b) $1 \div 0.866 \approx 1.1547$, es decir, 1.15. (c) A $30{}^{\circ}$: $1000 \div 1.15 \approx 870\,\mathrm{W}$ por cada metro cuadrado (exactamente, $1000 \times 0.866 = 866\,\mathrm{W}$). A $60{}^{\circ}$: $1000 \div 2 = 500\,\mathrm{W}$.

Ejercicio 24.12 ★★★

En cada hemisferio, la circulación general tiene tres células. (a) Dibuja una vista lateral del hemisferio norte, con el ecuador abajo y el polo arriba, y las tres células como circuitos; indica dónde sube y dónde baja el aire. (b) Marca las franjas de altas y bajas presiones en el suelo. (c) Añade los vientos de superficie de cada célula, desviados hacia la derecha. (d) Usa tu dibujo para explicar por qué los vientos del oeste soplan hacia el nordeste.

Solución

Solución de Ejercicio 24.12.

(a) Tres circuitos: el aire sube en el ecuador y baja hacia los $30{}^{\circ}$; sube hacia los $60{}^{\circ}$ y baja hacia los $30{}^{\circ}$; sube hacia los $60{}^{\circ}$ y baja en el polo. (b) B en el ecuador y hacia los $60{}^{\circ}$; A hacia los $30{}^{\circ}$ y en el polo. (c) De los $30{}^{\circ}$ al ecuador, el aire de superficie va hacia el sur y se desvía hacia la derecha: alisio del nordeste. De los $30{}^{\circ}$ a los $60{}^{\circ}$, va hacia el norte y se desvía hacia la derecha: viene del sudoeste. Del polo a los $60{}^{\circ}$, va hacia el sur, desviado hacia la derecha: viento polar del este. (d) En la célula del medio, el aire de superficie se mueve hacia el polo, es decir, hacia el norte; desviado hacia la derecha, se dirige hacia el nordeste: son los vientos del oeste.

24.6 Problema: navegar con los alisios

Problema 24.1

Problema de fin de semana — un velero cruza el Atlántico de Cabo Verde a Barbados con el alisio del nordeste; se mide la ruta en el mapa, se lee el viento y se calcula la duración de la travesía

Un velero sale de Praia, en las islas de Cabo Verde, hacia Bridgetown, en Barbados. El mapa muestra la ruta y el alisio.

Parte I — La ruta.

1. Praia está a $14.9{}^{\circ}$ N, $23.5{}^{\circ}$ O; Bridgetown, a $13.1{}^{\circ}$ N, $59.6{}^{\circ}$ O. ¿Cuántos grados de longitud los separan?
2. Los dos puertos están cerca de los $14{}^{\circ}$ N. A lo largo de este paralelo, un grado de longitud mide unos $108\,\mathrm{km}$. ¿Cuántos kilómetros mide, más o menos, la travesía? Redondea a la centena más cercana.
3. Medida con exactitud sobre la Tierra redonda, la ruta más corta mide $3896\,\mathrm{km}$. ¿Es la respuesta de la pregunta 2 una buena estimación?
4. ¿Están los puertos en la franja de los alisios? Explícalo.

Parte II — El viento.

5. ¿De qué dirección sopla aquí el alisio?
6. El barco navega hacia el oeste. ¿El viento lo empuja hacia delante, hacia atrás o de lado? Explícalo con el mapa.
7. ¿Por qué el alisio sopla en la misma dirección casi todos los días de la travesía?
8. En el viaje de vuelta a Europa, ¿por qué no debería el capitán intentar navegar hacia el este a lo largo de los $14{}^{\circ}$ N?

Parte III — La travesía.

9. Supón que el barco avanza de media $7\,\mathrm{km}$ por hora. ¿Cuántos kilómetros recorre en un día de 24 horas?
10. Si el viento amainara durante 3 días por el camino, ¿cuántos kilómetros de avance perdería el barco?
11. Con un alisio constante, ¿cuántos días necesita el barco para recorrer $3896\,\mathrm{km}$? Redondea a un decimal.
12. Redondeando al día entero, ¿cuánto dura la travesía? ¿Es más o menos de un mes?

Solución

Solución de Problema 24.1.

1. $59.6 - 23.5 = 36.1$ grados de longitud.

2. $36.1 \times 108 \approx 3899$: unos $3900\,\mathrm{km}$.

3. Sí: $3900 - 3896 = 4$ km, una diferencia minúscula.

4. Sí: los dos están cerca de los $14{}^{\circ}$ N, entre el ecuador y unos $30{}^{\circ}$ N, la franja del alisio del nordeste.

5. Del nordeste (las flechas apuntan hacia el sudoeste).

6. Hacia delante, y un poco de lado: el viento viene de detrás del barco, ligeramente por su derecha, y lo empuja hacia el oeste.

7. Forma parte de la circulación general: el aire no deja de bajar hacia los $30{}^{\circ}$ N ni de subir cerca del ecuador, así que el aire de superficie no deja de moverse hacia el ecuador, y la rotación de la Tierra siempre lo desvía hacia la derecha.

8. El alisio soplaría en contra del barco. El capitán debería navegar hacia el norte, más allá de unos $30{}^{\circ}$ N, para encontrar los vientos del oeste.

9. $7 \times 24 = 168\,\mathrm{km}$ al día.

10. $3 \times 168 = 504\,\mathrm{km}$.

11. $3896 \div 168 \approx 23.2$ días.

12. Unos 23 días: menos de un mes.