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Fuerza del gradiente de presión y efecto Coriolis: Definición y ejemplos

Publicado el 28 noviembre, 2023

Entendiendo el aire en movimiento

El aire que nos rodea está lleno de átomos (especialmente diatomeas como el nitrógeno y el oxígeno, O2 y N2) y moléculas como el dióxido de carbono. Estas partículas están en constante movimiento. A medida que estas partículas se mueven, chocan entre sí, se empujan y liberan calor durante estas colisiones. El movimiento requiere energía. Cuanta más energía haya en un sistema, más rápido y fuerte será el movimiento y, por tanto, más calor se liberará. Cuando el aire recibe energía, expande su volumen y ocupa más espacio. A medida que las partículas se alejan unas de otras, se producen menos colisiones y se genera menos calor. Como resultado, cuando el aire se expande, se enfría.

El aire en movimiento produce viento. El viento puede ser fuente de destrucción, arrancando árboles y arrancando techos en una tormenta. El viento puede aprovecharse como fuente de energía en parques eólicos o veleros e incluso utilizarse como simple recreación para volar cometas. Comprender las causas del viento es una parte importante del pronóstico de tormentas y la planificación de infraestructura.

¿Qué produce el viento?

El movimiento del aire es causado por diferencias de presión. El aire es pesado porque es arrastrado hacia abajo por la misma fuerza de gravedad que todo lo demás en la Tierra. El peso del aire que empuja hacia abajo sobre un punto se llama presión atmosférica. Cuanto mayor sea el número de moléculas en el aire sobre un punto, mayor será la presión atmosférica en ese punto porque hay más masa empujándolo hacia abajo. La elevación, la humedad y, lo más importante, la temperatura conducen a cambios de presión (es decir, el número de moléculas en un punto).

En elevaciones más altas (por ejemplo, en la cima de montañas altas), el aire es más fino, lo que significa que hay menos moléculas dentro y por encima. La gravedad atrae todas las moléculas de aire hacia abajo y sólo las más ligeras flotan más arriba. Por lo tanto, la presión atmosférica en elevaciones más altas es menor que la presión cerca del nivel del mar. Por eso los alpinistas necesitan transportar oxígeno en botellas cuando ascienden a los picos más altos del planeta.

La humedad es la cantidad de vapor de agua en el aire. El agua se compone de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, mientras que el aire se compone principalmente de nitrógeno (la diatomea, es decir, dos átomos de nitrógeno conectados) y oxígeno (la diatomea). El peso de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno es menor que el peso de dos átomos de nitrógeno o dos átomos de oxígeno. El agua es más ligera que el aire, lo que significa que cuanto más vapor de agua hay en el aire, más ligero es el aire. Por lo tanto, una mayor humedad significa una menor presión del aire.

El aire también se puede enfriar y calentar. Cuando brilla el sol, varios tipos de radiación energizan las partículas en el aire. Las partículas energizadas se mueven más rápido y se alejan unas de otras, expandiéndose. A medida que el aire se expande, se vuelve más ligero y se eleva ya que hay menos partículas en un espacio determinado. El aire cálido y ascendente con más espacio entre las partículas conduce a una presión más baja. El aire frío, descendente, cargado de partículas apiñadas, genera alta presión. El calentamiento desigual de la superficie de la Tierra por parte del sol crea sistemas de baja presión en algunas partes del planeta.

Estos sistemas de alta y baja presión empujan el aire, extrayendo aire de los sistemas de alta presión compactos hacia los espaciosos sistemas de baja presión. Este movimiento de arriba a abajo produce viento.

Un tipo especial de movimiento en el aire se llama corriente de convección. La convección es la transferencia de calor de un material más cálido a un material más frío a través del aire o un líquido. Cuando el aire se calienta, se expande y asciende. A medida que el aire asciende, se enfría y vuelve a caer a la Tierra. Se deja un espacio vacío debajo del aire ascendente, lo que atrae más aire hacia adentro. Este aire también se calienta y asciende, por lo que el aire que cae no cae verticalmente sino que es expulsado lateralmente.

Las corrientes de convección se producen, por ejemplo, cuando el sol brilla sobre una carretera negra o un aparcamiento. La superficie se calienta y también calienta el aire de arriba. A medida que el aire caliente asciende, deja espacio y es reemplazado por el aire más frío del césped al lado del estacionamiento. El aire ascendente empuja el aire sobre el estacionamiento hacia el césped, donde se enfría y es absorbido nuevamente por el estacionamiento. Este proceso continúa en una corriente cíclica llamada corriente de convección.

mapa de calor de corriente de convección

Aire en movimiento

Hagamos una actividad rápida. Extienda la mano a unos centímetros de la boca, con la palma hacia la cara. Ahora abre bien la boca y sopla en la palma de tu mano. El aire que llega a tu palma es bastante cálido. Ahora forma una “O” apretada con la boca y sopla de nuevo. ¿Te sorprendió el resultado? ¡Esta vez, el mismo aire que salió de tu boca era fresco!

Esto sucede porque el aire se enfría a medida que se expande. Cuando cerraste la boca en la segunda parte de la actividad, restringiste el espacio por donde el aire podía salir de tu boca, por lo que se expandió hacia afuera a medida que llegaba a tu palma. Se enfría porque a medida que el espacio se hace más grande, las partículas del aire chocan menos entre sí y, por lo tanto, desprenden menos calor.

Lo mismo ocurre con el aire en la atmósfera. A medida que el aire caliente asciende, se expande y se enfría. Luego vuelve a descender para llenar el espacio que dejó el aire caliente. Esta corriente de convección, o circulación de aire caliente que sube y aire frío que desciende, tiene algunos efectos interesantes sobre el viento. El viento es aire que se mueve horizontalmente, es decir, cualquier aire que se mueve de izquierda a derecha en lugar de arriba y abajo.

¿Qué es la fuerza del gradiente de presión?

Diferentes áreas de la superficie de la Tierra se encuentran bajo diferentes presiones atmosféricas, generalmente divididas en sistemas de baja presión y de alta presión. Estos sistemas son creados por el calentamiento desigual de la superficie por el sol. El aire se mueve como el viento desde los sistemas pesados ​​de alta presión a los sistemas ligeros de baja presión. La fuerza del viento dependerá de qué tan alta o baja sea la presión en cada sistema. La fuerza del gradiente de presión o gradiente barométrico se puede determinar midiendo la presión en cada sistema y la distancia entre estos sistemas.

Supongamos que hay una presión muy alta en el sistema de alta presión (el aire es muy pesado y está lleno de partículas) y una presión muy baja en el sistema de baja presión (lo que significa que hay mucho espacio entre las partículas). En ese caso, el aire pasará muy rápidamente de alta presión a baja presión. Una pelota, por ejemplo, se desinflará si tiene un agujero. Sin embargo, si se aplica presión a la pelota apretándola, el aire se moverá más rápidamente hacia la atmósfera de menor presión.

La presión atmosférica se mide con un instrumento llamado barómetro. Un barómetro contiene mercurio y, a medida que la presión del aire aumenta o disminuye, el mercurio sube o baja. Las unidades de presión se miden en pascales (Pa), y la unidad estándar de una atmósfera es poco más de 100.000 Pa. Para facilitar la lectura y el uso de estas unidades, se utilizan hectopascales (hPa). Una atmósfera, la presión del aire al nivel del mar a 15 grados centígrados, es de 1.013 hectopascales.

mapa de gradiente de presión del huracán

Se deben tomar dos mediciones en barómetros para determinar la fuerza del gradiente de presión y se debe contar la distancia entre los barómetros. La fuerza del gradiente de presión será igual a la diferencia entre las presiones, en pascales, dividida por la distancia. Entonces, si un barómetro marca 1100 hPa y el otro 1000 hPa y están separados por 10 km, la fuerza del gradiente de presión es (1100 – 1000) hPa/10 km = 100 hPa/10 km = 10 hPa/km. Si la distancia se aumenta a 20 km, el gradiente de fuerza de presión final sería de 5 hPa/km, mientras que si los dos barómetros están más cerca, a 5 km, entonces la fuerza final sería de 20 hPa/km. Cuanto mayor sea la diferencia de presión y cuanto más cerca estén los barómetros, más fuerte será la fuerza del gradiente de presión y, por tanto, más fuerte será el viento del gradiente.

Medir la fuerza del gradiente de presión es uno de los fundamentos de la meteorología y es un componente necesario para pronosticar el tiempo. Las fuertes fuerzas del gradiente de presión serán los primeros signos de tormentas severas, como la formación de huracanes. Los huracanes y tornados son áreas de presión extremadamente baja, lo que crea fuertes fuerzas de gradiente. Estas fuerzas atraen rápidamente aire de las áreas circundantes de alta presión.

El efecto Coriolis y el viento

La rotación de la Tierra afecta las corrientes de aire en la atmósfera. El aire se mueve constantemente a través de la atmósfera debido a las diferencias de presión. Como la presión atmosférica resulta de la temperatura, el área alrededor del ecuador, que recibe la mayor y más directa cantidad de luz solar, es un área de baja presión. El aire se calienta y asciende, se producen corrientes de convección y el aire se aleja del ecuador hacia el norte o el sur. Asimismo, los polos, que reciben luz solar débil e indirecta, son zonas de alta presión, ya que el aire permanece frío y pesado. Por lo tanto, el aire se mueve naturalmente desde las regiones polares hacia el ecuador, de alta presión a baja presión.

Sin embargo, el viento no viaja en línea recta desde los polos hasta el ecuador. En cambio, las corrientes de viento predominantes en el hemisferio norte se mueven en sentido antihorario desde el Polo Norte hasta el ecuador. En el hemisferio sur, los vientos predominantes se mueven en el sentido de las agujas del reloj desde el polo sur hasta el ecuador. Este movimiento se llama Efecto Coriolis. Actúa en un ángulo perpendicular a la fuerza del gradiente de presión, creando patrones climáticos como huracanes con forma de espiral a medida que el viento se mueve hacia el centro de baja presión desviado por la fuerza de Coriolis.

Sistema de baja presión que muestra la rotación por efecto Coriolis.

¿Por qué ocurre el efecto Coriolis?

El efecto Coriolis se produce debido a la rotación de la Tierra. Los puntos de la Tierra que están más al norte o al sur giran más lentamente que los puntos cercanos al ecuador. Este efecto se produce porque el diámetro de la Tierra en el ecuador es mayor que el diámetro de la Tierra en latitudes más altas al norte y al sur. Para que un punto en el ecuador se mueva hacia el lado opuesto de la Tierra en 12 horas, debe moverse más rápido que un punto a medio camino del Polo Norte, a 45 grados de latitud norte. En el Polo Norte apenas hay movimiento en comparación con el ecuador. Un punto en el ecuador viaja a 1.600 km/h para girar completamente en 24 horas. Un punto en el Polo Norte viaja mucho más lento a 0,00008 km/h.

Las diferencias de velocidad son válidas para puntos de la superficie y objetos en esos puntos. Una persona que sostiene una pelota en el ecuador viaja a 1.600 km/h. Si la persona lanza la pelota hacia el Polo Norte, la pelota parecerá derivar hacia la derecha hacia el este porque viaja más rápido en relación con el suelo. Aunque la pelota se mueve en línea recta a través del espacio, el suelo debajo de ella cae cada vez más atrás. Del mismo modo, una pelota lanzada desde el Polo Norte (que viaja muy lentamente con la rotación de la Tierra) se desplazará cada vez más hacia la derecha o hacia el oeste desde la perspectiva de la persona, ya que el suelo debajo de ella se mueve más rápido cuanto más al sur viaja la pelota. La misma deriva se puede observar en el viento y las corrientes de aire. El aire que se mueve desde el ecuador hacia los polos se mueve más rápido y se desplaza hacia el este, mientras que el aire que se mueve desde los polos hacia el ecuador se mueve más lentamente y se desplaza hacia el oeste.

Si bien el ecuador es generalmente un área de baja presión y los polos generalmente son un área de alta presión, el aire no se mueve completamente desde los polos al ecuador. Los hemisferios norte y sur están compuestos por tres células de convección, donde el aire se calienta, sube, se enfría y baja. A medida que el aire caliente asciende desde el ecuador, comienza a enfriarse y a descender cerca de los 30 grados de latitud norte y sur. Esta es la Célula Hadley y crea fuertes vientos en los trópicos que soplan hacia el oeste, llamados vientos alisios. Entre 30 y 60 grados de latitud funciona un nuevo sistema, la Célula Ferrel, donde los vientos en la superficie pueden soplar del este o del oeste. Finalmente, la Célula Polar se ubica a 60 grados con respecto a ambos polos. Los mecanismos detrás de estas células se pueden ver en el planeta Júpiter, donde se producen bandas de gases de diferentes colores en varias latitudes, posiblemente debido al efecto Coriolis.

superficie de Júpiter con bandas de nubes

Cómo la fricción afecta la presión del viento

Los efectos de la temperatura y la presión sobre la dirección del viento y la fuerza del gradiente de presión se ven aún más afectados por la existencia de materia en la superficie de la Tierra. Si la superficie del planeta fuera completamente lisa, el viento soplaría en patrones bastante predecibles. Sin embargo, la superficie de la Tierra está cubierta de montañas, colinas, rocas, árboles, edificios y otras estructuras. Todo esto crea fricción cuando las partículas de aire rozan estas superficies. La fricción ralentiza la relajación y cambia su dirección. La fricción incluso actúa contra el efecto Coriolis porque cambia la velocidad del viento. A medida que se reduce el efecto Coriolis, la fuerza del gradiente de presión se vuelve más fuerte e impulsa el viento perpendicular al gradiente de presión. Los efectos de la fricción se sienten principalmente cerca de la superficie de la Tierra. A mayor altura en la atmósfera, hay menos obstáculos con los que pueda chocar el aire.

Resumen de la lección

El aire está en constante movimiento. La presión, causada principalmente por las diferencias de temperatura, mueve el aire y crea viento. El aire se moverá naturalmente de los sistemas de alta presión a los de baja presión porque las áreas de baja presión tienen menos partículas y más espacio. Estas áreas de baja presión se crean cuando el aire se expande a medida que se calienta. A medida que el aire se expande, hay menos colisiones entre las partículas, por lo que se enfría.

La fuerza del gradiente de presión, la diferencia de presión entre dos áreas que provoca el movimiento inicial del aire, y el efecto Coriolis, la aparente deriva del viento a medida que se mueve hacia el norte o el sur desde el ecuador, son dos fuerzas que dictan la velocidad y la dirección del aire. El equilibrio entre la fuerza del gradiente de presión y el efecto Coriolis se ve alterado por la fricción en la superficie de la Tierra, lo que ralentiza el viento, debilita el efecto Coriolis y fortalece la fuerza del gradiente de presión.

Fuerzas de gradiente de presión

En última instancia, el viento proviene de las diferencias de temperatura porque, como aprendimos en otra lección, las diferencias de temperatura conducen a diferencias de presión del aire, y la presión del aire crea corrientes de convección que, como acabamos de aprender, crean viento. Retrocedamos y veamos cómo funciona esto. Digamos que tenemos un lugar cálido, como el ecuador, y una región fría, como el Polo Norte. El aire en el ecuador se calienta con más energía solar que el aire en el Polo Norte, por lo que asciende y luego se mueve horizontalmente hacia el Polo Norte. A medida que se enfría, vuelve a descender hacia la región ecuatorial más cálida. La diferencia de presión del aire entre las dos ubicaciones se llama gradiente de presión, y la fuerza que realmente impulsa el aire desde áreas de alta presión a áreas de baja presión se llama fuerza de gradiente de presión.

El efecto Coriolis

Si la Tierra no rotara (lo cual sabemos que sucede, porque tenemos ciclos de día y noche), esta fuerza de gradiente de presión crearía dos circulaciones de viento unicelulares: una para el hemisferio norte y otra para el hemisferio sur.

Pero como la Tierra gira sobre su eje, tenemos múltiples circulaciones de viento en la Tierra. Lo que es especialmente interesante es que esta rotación de la Tierra afecta la trayectoria del viento de modo que parece desviarse hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur (si miras hacia abajo desde uno de los polos). Esta desviación del viento debido a la rotación de la Tierra se llama efecto Coriolis.

El efecto Coriolis es como estar en un tiovivo. Imagina que estás de un lado y tu amigo está directamente frente a ti, del otro. Si le lanzaras una pelota a tu amigo mientras el tiovivo no estuviera girando, iría directamente hacia él. Este es nuestro patrón de circulación unicelular en una Tierra que no gira.

Pero ahora hagamos girar el tiovivo en el sentido contrario a las agujas del reloj. ¡Lanza la pelota a tu amigo nuevamente y esta vez la pelota falla! Puede que no te des cuenta, pero la pelota sigue viajando en la misma trayectoria en línea recta que antes, y lo verías si miraras hacia abajo desde arriba. Sin embargo, desde tu perspectiva del tiovivo, parece como si la pelota se desviara hacia la derecha porque no alcanza a tu amigo.

Esto es lo que le sucede al viento en la Tierra. A medida que la Tierra gira, todos los objetos que se mueven libremente, como el aire, el agua, los aviones e incluso las bolas de nieve, parecen abandonar su trayectoria en línea recta. ¡Nada está libre del efecto Coriolis!

El efecto Coriolis también difiere según la velocidad del viento y la latitud. Cuando el viento viaja más rápido, se desvía más. Los objetos que están a mayor latitud (es decir, más cercanos a las regiones polares) se desvían más que los que están en el ecuador.

La fricción afecta el viento

Cuando hablamos de viento, ciertamente no podemos olvidarnos de la fricción. La fricción es una fuerza que restringe el movimiento y cada vez que un objeto entra en contacto con una superficie, experimenta fricción. Puedes sentir esto cuando te deslizas por un tobogán; definitivamente sentirás la fricción en la parte posterior de tus piernas si te deslizas con pantalones cortos en lugar de pantalones largos.

El viento encuentra fricción en toda la Tierra porque constantemente entra en contacto con la superficie de la Tierra. Cuanto más rugosa sea la superficie, más fricción experimentará. Por lo tanto, un desierto arenoso permitirá que el viento se mueva sobre él más fácilmente, pero es probable que una cadena montañosa accidentada ralentice considerablemente ese viento. La fricción también reduce el efecto Coriolis porque, como aprendimos antes, el viento más lento se desvía menos que el viento que se mueve más rápido.

Resumen de la lección

Al igual que el aire que sale de la boca, el aire de la atmósfera se enfría a medida que se expande. A medida que el aire caliente en la atmósfera se expande y se enfría, desciende para llenar el espacio que dejó el aire caliente, y esta circulación de aire caliente que sube y aire frío que desciende se llama corriente de convección. Las corrientes de convección crean viento, que es aire que se mueve horizontalmente. Pero, en última instancia, las corrientes de convección están a merced de las diferencias de temperatura porque, en primer lugar, son éstas las que crean diferencias de presión. La diferencia de presión entre dos lugares se llama gradiente de presión, y la fuerza que realmente mueve el aire como viento se llama fuerza del gradiente de presión.

La rotación de la Tierra significa que el aire no circula en una corriente de convección unicelular para cada hemisferio. En cambio, obtenemos múltiples células de aire y el efecto Coriolis, que es la aparente desviación del viento debido a la rotación de la Tierra. Al igual que lanzarle la pelota a tu amigo en el tiovivo mientras gira, el viento en realidad viaja en su misma trayectoria en línea recta, pero cuando se observa desde arriba parece desviarse hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. hemisferio. La deflexión del viento es mayor cuanto mayor es la velocidad del viento, así como en mayor latitud.

La fricción también juega un papel importante en el comportamiento del viento en la Tierra porque es una fuerza que restringe el movimiento. Cuando el viento encuentra superficies más rugosas en la Tierra, se desacelera considerablemente. Cuando el viento viaja más lentamente, el impacto del efecto Coriolis también disminuye, porque los vientos más lentos se desvían menos que los vientos que viajan a velocidades más rápidas.

Los resultados del aprendizaje

Cuando termine esta lección, debería poder:

  • Definir corrientes de convección
  • Describir el gradiente de presión y la fuerza del gradiente de presión.
  • Identificar cómo la rotación de la Tierra ayuda a crear el efecto Coriolis.
  • Comprender el efecto de la fricción sobre el viento.

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