Se llama circulación general de la atmósfera al sistema de vientos de escala planetaria, que los conocemos en base a dos fuentes: con valores de presión y viento observados en todo el mundo y por estudios teóricos de la dinámica de fluidos geofísicos. El modelo primitivo mas elemental de circulación global sugiere la existencia de una sola celda de circulación vertical llamada Celda de Hadley, en honor a George Hadley (1795 – 1868), quien fue el primero en desarrollar este modelo clásico. Hadley pensaba que solo la energía solar conducía los vientos y propuso que las mayores temperaturas del ecuador respecto a los polos deberían crear una circulación térmica, con movimiento en superficie de aire frío desde los polos hacia el ecuador. En el ecuador el aire cálido y menos denso debe ascender, durante el ascenso el aire se va enfriando, por lo que en las capas superiores se comienza a mover hacia los polos, donde el aire frío y mas pesado debe descender sobre los polos, como se muestra en el esquema de la figura; pero esto no es así.
Circulación de HadleyUn modelo simple mas realista de circulación global explica como debe mantenerse el balance de calor producido por el calentamiento diferencial ecuador - polo, considerando que
Celda de Hadley.
Entre el ecuador y aproximadamente los 30º de latitud sur y norte, se produce una circulación vertical que mantiene el nombre de celda de Hadley (figura 8.2). En el ecuador el aire más cálido que se eleva, se condensa liberando calor latente y formando grandes cúmulos y cumulonimbus que producen abundante precipitación, que mantienen la densa vegetación de las selvas tropicales. El aire de niveles superiores en esta celda, se mueve hacia los polos y entre 25-35º de latitud sur y norte se produce subsidencia por dos razones: (1) el flujo asciende siempre desde la tormentosa región ecuatorial, donde la liberación del calor latente de condensación mantiene el aire cálido, pero en el tope de las nubes el enfriamiento radiativo aumenta la densidad del aire superior, que comienza a moverse hacia los polos y a descender hacia superficie; (2) debido a que el efecto de Coriolis se hace mas fuerte cuando nos alejamos del ecuador, los vientos en altura que inicialmente se movían hacia los polos, son desviados en dirección aproximadamente oeste a este cuando alcanzan la latitud de 25º, así se restringe el flujo del aire hacia los polos. Como resultado de ambas causas se produce subsidencia en la zona entre 25-35º de latitud. Esta subsidencia, por la liberación de la humedad cerca del ecuador, es de aire muy seco, y por el efecto de calentamiento adiabático durante la compresión por el descenso del aire, se reduce la humedad relativa. En estas regiones de subsidencia se encuentran los grandes desiertos subtropicales del mundo: el desierto de Atacama en Chile, el desierto del Sahara del norte de Africa, el de Namibia del suroeste de Africa, el gran desierto Australiano, el de Baja California del suroeste de Estados Unidos. En el centro de estas zonas de subsidencia los vientos son leves y variables, se conoce como la zona de las latitudes de los caballos, nombre puesto por los antiguos marinos en los años 1500, que en ocasiones hacían grandes comercios de caballos entre Europa y América (recién descubierta). Con frecuencia ocurría que los barcos a vela tenían que navegar muy lentamente en la zona de altas presiones subtropicales donde predominan las calmas, por lo que se les agotaban los suministros de aguas y alimentos, viéndose forzados a tirar los caballos por la borda, especialmente el mar de los Sargazos, en el océano Atlántico norte. Los veleros que posteriormente pasaban por ese mar, alrededor de los 30º latitud, se encontraban con el desagradable espectáculo de los restos de los caballos flotando sobre las aguas. Desde esta latitud el flujo se separa en una rama hacia el ecuador y otra hacia los polos. El flujo de superficie hacia el ecuador es desviado por la fuerza de Coriolis, generándose los vientos alisios o trade winds, así llamados por los primeros navegantes de esos mares que comerciaban (trade) entre el viejo y nuevo continente, haciendo uso de estos vientos, que tienen la característica de ser de intensidad moderada a fuerte y muy persistentes en dirección, por lo que son favorables para la navegación a vela. Los vientos alisios soplan del sureste en el hemisferio sur y del noreste en el hemisferio norte, convergiendo en el ecuador en una región con un gradiente de presión muy débil, llamada zona de calmas ecuatoriales (o doldrums).
Celda Polar.
El aire frío de niveles superiores en las zonas polares, genera subsidencia sobre los polos, produciendo por compresión altas presiones en superficie y divergencia. A su vez la divergencia produce un flujo de aire en superficie desde los polos hacia latitudes subpolares, que es desviado por la fuerza de Coriolis, generando un sistema de vientos conocidos como los estes polares, entre los polos y los 60º de latitud. Alrededor de los 60º de latitud se produce convección y flujo hacia los polos en altura, cerrándose una celda de circulación directa que se le llama celda Polar.
Celda de Ferrel.
Desde la celda de Hadley, por la divergencia en latitudes medias, la rama del flujo en superficie que se separa hacia los polos, es desviado por el efecto Coriolis, produciéndose una fuerte componente hacia el oeste, generándo un sistema de vientos conocidos como los vientos del oeste o westerlies. Estos vientos del oeste son más variables en intensidad y dirección y son de la mayor importancia en el mantenimiento del balance de calor a nivel global. Por otra parte, desde la celda polar se tiene un flujo de aire polar frío en superficie hacia latitudes subpolares, con importante componente del este. Este aire polar frío, se encuentra con los vientos del oeste más cálidos de latitudes medias, produciéndose, al contrario de lo que ocurre en la región de convergencia de las calmas ecuatoriales, una región de convergencia de vientos muy intensos y variables. A la que franja latitudinal de convergencia de ambos sistemas de vientos se le llama la región del frente polar. Es la región más dinámica de la atmósfera, donde se desplazan de oeste a este, en promedio, los centros ciclónicos que se asocian a los sistemas frontales de latitudes medias, generando un tiempo con vientos muy intensos y variables, con abundante nubosidad y precipitación. En la región del frente polar se produce convección desde superficie y en altura flujo mas frío hacia el norte, que desciende en la zona de subsidencia de latitudes medias, cerrándose una celda de circulación, llamada celda de Ferrel, que se desarrolla aproximadamente entre 30º - 60º de latitud. Observamos que la celda de Ferrel es indirecta porque el aire cálido es forzado a descender en latitudes subtropicales en torno a los 30º y a moverse en superficie desde latitudes subtropicales mas cálidas hacia zonas subpolares mas frías, donde el aire frío es forzado a elevarse. Como depende del comportamiento de los sistemas frontales, su estructura es muy irregular, desapareciendo en ocasiones y volviéndose después a formar, y por ser indirecta, es muy inestable.
En la figura 8.3 se muestra un esquema con un resumen de las celdas de circulación. En este esquema se muestra la celda de Ferrel bien estructurada, pero en la realidad no es así. Los símbolos CV y DV son convergencia y divergencia.
Celdas de circulación global