Experimentos y Actividades relacionados con los movimientos en la atmósfera

Referencias:

 Fácil Para los más chiquitos Complicado Requiere Materiales de laboratorio o instrumental Tiene nota de seguridad

La circulación general de la atmósfera

Superficies frontales

Ley de Buys-Ballot

Vorticidad y Momento angular

Vórtices en la atmósfera - Tornados

Patrón uniforme de células convectivas

Descendentes : Macroburst y Microburst

El pronóstico numérico

La circulación general de la atmósfera

Click para ampliarLa energía que genera el viento y fuerza al aire a moverse proviene del sol.  El movimiento atmosférico ocurre en diferentes escalas, desde miles de kilómetros hasta milímetros. La escala más grande o circulación general es causada por el contraste térmico y de presiones en el globo terrestre y modificada por la rotación de la Tierra. Tierra y Océanos introducen modificaciones adicionales y contribuyen a iniciar circulaciones secundarias. La topografía local introduce circulaciones terciarias y así sucesivamente, hasta llegar al movimiento molecular para finalmente cesar debido a la viscosidad (Lewis Richardson-1926). La circulación general en la superficie tal como la conocemos en nuestros días puede apreciarse en el gráfico que se adjunta.

 

La zona de los 30º es conocida como la latitud de los caballos. Allí los marinos navegaban tan lentamente, debido a la ausencia de viento, que la comida se les acababa y comenzaban a comerse los caballos.

El área entre 0º y 30º era llamada la zona de los vientos del comercio, porque los vientos con componente este favorecían la ruta desde Europa a América. Estos vientos fueron observados por Colón en 1492.

En el flujo de los oestes (latitudes medias), aparecen ondas (en número de 3 a 5) que se extienden alrededor de la Tierra y proveen un importante mecanismo para la transferencia de calor. Estas ondas se llaman Ondas de Rossby.

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Una lata de 10 cm de diámetro y 10 cm de profundidad, molde para tortas de 25 cm, hielo, agua, velas, tabla giratoria (puede ser una silla para piano o un fonógrafo), tinta.

Procedimiento:

Llena la lata con hielo triturado (esto representará el Polo). Colócala justo en el medio del molde para tortas. Llena este molde con agua (unos 4 cm de profundidad). Haz rotar la tabla (7 revoluciones por minuto). Enciende varias velas y colócalas cerca del molde a todo su alrededor (este borde representará el Ecuador). Para visualizar mejor la circulación del líquido agrega una o dos gotas de tinta. La rotación en el sentido de las agujas del reloj simulará el hemisferio sur. Haciéndolo girar en sentido opuesto representaremos la circulación en el hemisferio norte. También puedes montar un espejo encima del experimento y ver ambas circulaciones a la vez.

Verás cuatro instancias en la construcción de las celdas de circulación. En primer lugar el agua se acelerará y la corriente visible de tinta mostrará círculos concéntricos desde la lata con hielo. A medida que el efecto del calentamiento y enfriamiento aparece, existe una transición de flujo circular a ondas continuas (eventualmente se pueden formar celdas separadas). El número de ondas dependerá del tamaño del molde, la velocidad de rotación y el calor aplicado desde el borde. Si la fuente de calor se remueve, las celdas se desintegran debido a que la convección térmica disminuye.

Superficies frontales

El término frente fue creado por la escuela Bergen de meteorología en 1920 y fue tomada de la terminología usada en la Primera Guerra Mundial. A través de una zona frontal, temperatura, humedad y viento cambian rápidamente en una corta distancia. Los frentes se clasifican en fríos, cálidos, estacionarios y ocluídos.

Materiales:

Acuario de 1 m x 0,5 m x 0,25 m, dos láminas de aluminio de 1mm, guías de plástico, pegamento, agua, colorantes rojo y azul, sal.

Procedimiento:

Pega las guías de plástico a las paredes laterales y el fondo del acuario. Allí deberás colocar las dos placas de aluminio de manera de dividir el acuario en tres compartimientos. Llena con agua fría la sección central (unos 40 cm de profundidad). Llena la parte izquierda con agua, agrégale 20 cucharadas de sal, colorante azul y mezcla. Ahora llena la sección derecha con agua, 10 cucharadas de sal y colorante rojo.

El agua muy salada representa la masa de aire frío (más densa, de color azul). El agua menos salada (color roja, menos densa) representa la masa de aire caliente. El agua fresca es la superficie de separación entre las dos masas de aire.

Levanta la placa de la derecha unos 3 cm. Cuando el agua roja alcance la sección central haz lo mismo con la placa de la izquierda. Observa cómo interactúan las masas de agua coloreadas. Aquí la interacción será rápida, pero en la atmósfera es mucho más lenta, ya que el aire es 750 veces menos denso que el agua.

Ley de Buys-Ballot

En 1857 Christoph Buys-Ballot introdujo una simple regla empírica conocida como la ley de Buys-Ballot que relaciona la dirección del viento cerca de la superficie de la Tierra con la ubicación de los sistemas de presión. En el hemisferio sur, si estás de espaldas al viento, las bajas presiones estarán a tu derecha...Esto por encima de los 1000 metros,  donde la fricción es despreciable, ya que esta fuerza hace que el aire se desvíe hacia el interior de la bajas o el exterior de las altas con un ángulo de 10º a 50º, dependiendo del tipo de superficie. Esta ley se basa en la acción de las fuerzas del gradiente de presión (que dirige el movimiento del aire desde las altas hacia las bajas) y la fuerza de Coriolis (que equilibra la fuerza del gradiente de presión, y hace que el viento resultante sea paralelo a las isobaras). Este viento resultante se llama viento geostrófico.

Imagina que el viento de superficie es igual al viento geostrófico. Te pones de espaldas a este viento...¿Dónde estarán las mayores presiones, a tu derecha o a tu izquierda?

Vorticidad y Momento angular

Cuando las partículas de aire son arrastradas por el viento a lo largo de cuñas y vaguadas, presentan no solamente un movimiento de traslación, sino también una rotación sobre sí mismas. Esto ocurre siempre que haya un cambio en la velocidad (cortante) o en la dirección del viento. Esta rotación de las partículas sobre sí mismas se denomina vorticidad relativa. Si a este giro le sumamos la rotación de la Tierra (Coriolis), la suma de ambas vorticidades se denomina vorticidad absoluta. La vorticidad de la Tierra es negativa en el hemisferio sur y positiva en el hemisferio norte y varía con la latitud. En el Hemisferio Sur, el giro en sentido horario indica vorticidad ciclónica (valores negativos), giro antihorario, indica vorticidad anticiclónica. (valores positivos).

Todas las cosas que giran poseen "momento angular". El momento angular tiene dos características: magnitud y dirección. Se puede decir que la magnitud es la fuerza generada por el movimiento giratorio, y está relacionada con la velocidad a la que gira un cuerpo y con la masa de ese objeto. Esta fuerza es superior a la resistencia del aire, hasta que el objeto disminuye la velocidad a la que gira, se detiene, o se enfrenta a una fuerza más poderosa, tal como la fuerza producida por un viento fuerte o la que se genera si el objeto golpea la tierra. La dirección del momento angular depende de si el disco gira en sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Veamos un ejemplo cotidiano...Por ejemplo un trompo. Si el trompo no gira se caerá hacia los lados. Cuando da vueltas es capaz de permanecer bailando sin caerse. Otro ejemplo son Las bicicletas. Si el ciclista se detiene se le hace muy difícil mantener el equilibrio, sin embargo cuando el ciclista comienza a pedalear, el momento angular que producen las ruedas hace que sea mucho más fácil mantener el equilibrio de la bicicleta.

Se expresa al momento angular como el producto entre la masa, la velocidad y la distancia al eje de rotación

Momento angular = m * v * r

Un concepto físico importante es el del principio de conservación del momento angular. Hablando de forma intuitiva, se puede interpretar diciendo que todo cuerpo que describe un movimiento circular tiene una cantidad determinada de energía de rotación que conserva constante aunque varíen los parámetros que afectan al mismo. Así, tenemos el conocido ejemplo de un patinador que gira sobre sí mismo. Si desea hacerlo a más velocidad cierra los brazos, mientras que si desea frenarse los abre; al modificar el radio de giro moviendo los brazos, modifica también su velocidad, puesto que el producto de ambos (la masa, evidentemente, no varía) ha de permanecer constante. Lo mismo ocurre con el sistema que nos atañe que es nuestro planeta (Tierra-Atmósfera). La Tierra y la atmósfera interactúan entre sí y como resultado de esta interacción se transfieren impulso angular. La suma de sus momentos angulares deberá ser nula, el momento angular de todo el sistema permanecerá constante.

Materiales:

Bolita, hilo fuerte, mango en forma de tubo

Procedimiento:

Pega la bolita al extremo de un hilo fuerte. Pasa el hilo por el mango con forma de tubo. Sostén con una mano el extremo libre del hilo y con la otra el mango. Haz girar la bolita y tirando del hilo disminuye el radio de giro. Verás que la velocidad aumenta.

Como el momento angular se conserva, una disminución del radio de giro (como la masa es constante), deberá estar compensada con un aumento en la velocidad. El producto entre m * v * r = constante.

Vórtices en la atmósfera - Tornados

Materiales:

Dos botellas iguales y transparentes con tapa a rosca, martillo, clavo, pegamento, agua

Procedimiento:

Pega las tapas de ambas botellas entre sí por sus partes planas. Haz un orificio a través de ellas con el clavo y el martillo. Llena una de las botella con agua hasta las 3/4 partes. Colócale la tapa y luego enrosca la segunda botella a su tapita. Invierte las botellas, de tal manera que la que tiene agua quede arriba. Hazlas girar. Cuando el agua se arremolina, si no dejamos que drene, el vórtice se frenará por fricción. Al dejar que drene el agua, la rotación se hace más prolongada  y se incrementa a medida que disminuye la cantidad de agua remanente 

Otro tornado...

Usaremos en este caso un frasco con tapa, jabón en polvo y agua. Llena el frasco con 2/3 de agua. Agrégale media cucharadita de jabón el polvo y gira rápidamente el líquido. Observa el remolino.

En el siglo XIX, Elias Loomis un meteorólogo norteamericano, observó que los tornados solían arrancarle las plumas a aves de gran tamaño. Decidió entonces, en base a este hecho, determinar la velocidad de los vientos en un tornado. Utilizó un cañón pequeño y en lugar de una bala de cañón, la carcasa de un pollo. Disparó verticalmente y observó que el pollo alcanzaba velocidades de hasta 340 millas/hora. Cuando el pollo llegó a la superficie lo hizo en pedazos. De allí dedujo que la velocidad del viento en  los tornados es inferior a las 340 millas/hora, porque un tornado no mutila a las aves, sólo las despluma.
Los Huracanes. Un huracán puede ser comparado con un motor que transforma el calor del océano tropical, en movimiento. El ciclo del motor comienza cuando la energía de la superficie del océano se transfiere como calor latente de evaporación. Esta energía se transporta en la vertical por medio de la convección. El calor latente es  liberado cuando el vapor de agua se condensa, por lo que la convección se intensifica y los topes de las nubes cumulunimbus alcanzan altitudes de 15 Km y más aún. La convección dispara movimientos compensatorios del aire hacia el centro de la tormenta. Durante este flujo, la velocidad rotacional del aire se incrementa debido a la conservación del momento angular. El centro del huracán está ocupado por un área libre de nubes llamada ojo, donde el aire desciende. El ojo está rodeado por una pared de cumulunimbus. La alta sobre la tormenta empuja el aire hacia afuera y los topes de las nubes (Yunques) forman un espiral. La baja en el centro del huracán hace que el nivel del mar aumente aproximadamente 0,5 m cada 50 Hpa de disminución de la presión en su centro. Como resultado el oleaje intenso afecta las áreas costeras bajas produciendo inundaciones.

Patrón uniforme de células convectivas

La convección se produce siguiendo un patrón. Este fenómeno fue reportado por Henri Bernard en el año 1900. Por ello a estas células se les llama Celdas de Bernard.

Este tipo de células tienen forma de anillos hexagonales formados por células convectivas con el interior despejado. La circulación asociada es la del aire ascendiendo en las torres convectivas en los bordes y descendiendo en el centro dando lugar a cielos despejados. Suelen formarse: 

1) Por advección de aire polar hacia latitudes más bajas con flujo ciclónico en niveles bajos. La diferencia térmica entre la capa de aire más fría, y la superficie del mar más caliente es el factor que condiciona los ascensos del aire. La nubosidad que se forma es de Cu y Cb.

2) En latitudes subtropicales se forman en zonas de grandes anticiclones, cuando el aire frío y seco continental se aleja de la costa, se humedece y se va calentando a medida que atraviesa el mar. Inicialmente una inversión de subsidencia contiene una capa húmeda poco profunda pero, más lejos la dimensión vertical de la capa húmeda y la altitud de la nubosidad aumentará.

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Sartén, aceite, cacao, fuente de calor (hornalla)

Procedimiento:

Coloca aceite en una sartén (2 cm de profundidad). Pon la sartén al fuego. Agrégale una cucharada de cacao para poder visualizar mejor la circulación en el interior del aceite. Verás cómo los granitos del polvo de cacao ascienden por el centro y descienden por los lados de la sartén. Las celdas aparecen a determinado valor crítico de temperatura y se incrementan proporcionalmente con la profundidad de la capa de aceite. Cada celda hexagonal está constituida por 6 triángulos equiláteros.

También puedes ver este tipo de organización cuando a una taza de café caliente le agregas crema fría. Observarás claramente la estructura de las celdas en la superficie del líquido.

Descendentes : Macroburst y Microburst

Downburst, es un área de aire que desciende rápidamente debajo de una tormenta. Los vientos fuertes generalmente provienen por una sola dirección y a veces son conocidos como vientos de línea recta. En casos extremos pueden causar daños equivalentes a un tornado fuerte. Un downburst de un tamaño mayor de 4 kilómetros se llama macroburst. Un downburst con un tamaño menor de 4 kilómetros se llama un microburst. Los microburst  pueden ser secos o mojados.

A medida que una línea de tormentas avanza, el aire cálido y húmedo asciende por delante de ella. Al ascender se enfría y se condensa en gotas de agua y cristales de hielo. Estas gotas y cristales crecen y debido a su peso comienzan a caer. Al mismo tiempo aire frío y seco se observa en la parte posterior de la tormenta (por encima de los 3000 metros). A medida que la lluvia cae dentro de ese aire seco, algunas de las gotas comienzan a evaporarse. Para evaporarse necesitan calor, calor que toman del aire, enfriándolo aún más. El aire frío se hace cada vez más denso (pesado), por lo que cae en forma de lo que se conoce como "descendente" con  velocidades que en casos extremos pueden llegar a superar los 100 Kt.

Materiales:

Recipiente transparente, colorante, sal, gotero

Procedimiento:

Llena el recipiente con agua. Llena el gotero con agua salada y coloreada. Agrega unas gotas del agua salada al recipiente. El líquido del gotero es más denso y se dirigirá hacia el fondo con forma de hongo invertido.

El pronóstico numérico

Durante varias centurias el hombre trató de pronosticar el tiempo. Primero observando los signos en el cielo y en la Tierra, estudiando el comportamiento de los animales y las plantas. De esta manera surgieron muchos refranes que han llegado hasta nuestros días.

Hoy, el pronóstico del tiempo se realiza utilizando modelos numéricos de pronóstico. El primer paso en este aspecto lo dio Lewis Richardson. Él creía que era posible resolver las complejas ecuaciones del movimiento atmosférico trabajando en cálculos paso a paso. Para poner su idea en práctica requería 2000 estaciones meteorológicas recolectando datos de superficie y de altura alrededor de la Tierra. Dividió el planeta en filas y columnas. Pensó que si 32 individuos podían computar el pronóstico para una columna y cada columna abarcaba 200 Km, 2000 columnas serían suficientes para pronosticar en todo el globo. Consecuentemente 32 * 2000, necesitaba 64000 calculadores...Una verdadera fábrica de pronósticos. El visualizó esta fábrica como un gran teatro. Las paredes estarían pintadas como un mapa de la Tierra. El techo representaría las regiones del norte. Habría galerías circulares siendo la más alta el trópico y la Antártida la platea. Miles de calculadoras mecánicas se usarían para confeccionar el pronóstico. Cada calculadora resolvería sólo una ecuación o parte de ella. Cada resultado sería visto por tres áreas adyacentes para mantenerse comunicadas y el trabajo de cada zona estaría coordinado por un oficial de alto rango. En el centro de la fábrica habría una columna que llegaría hasta la mitad de la altura de la sala.  Allí un hombre a cargo de todas las zonas estaría rodeado por asistentes y mensajeros. Su función sería la de mantener una velocidad uniforme de los cálculos en todo el recinto. Tendría para ello una luz roja que les indicaría a los operadores que estaban adelantados en el tiempo y una azul para señalar a aquellos que estaban retrasados. Para demostrar la validez de su método hizo un pronóstico para dos puntos de la grilla. Si bien el resultado del pronóstico fue catastrófico, su sueño del pronóstico numérico se hizo realidad en la década del 40 cuando se construyó la primera computadora. Hoy en día las computadoras son mucho más rápidas, pueden realizar 16 billones de operaciones por segundo. Un pronóstico a 24 horas requiere de alrededor de 10 billones de operaciones aritméticas y se pueden obtener en corto tiempo.

¿Qué es el efecto mariposa? Lorenz, decía que hasta el aleteo de una mariposa podía cambiar las condiciones iniciales en un determinado punto, a partir del cual se condicionaría todo el pronóstico. Por ello la predicción a largo plazo sólo sería posible si las condiciones iniciales en la atmósfera fueran conocidas con infinita precisión.

Materiales:

Una calculadora

Procedimiento:

Imagina que la variación en el tiempo de un parámetro meteorológico X puede describirse en términos de la siguiente ecuación:

Xt+1 =3.8 * Xt * (1-Xt), donde t= 0, 1, 2, 3, etc y representa los instantes de tiempo en horas, Xt es el valor de nuestra variable durante la hora previa y Xt+1 es el valor de la variable en la próxima hora.

Si cuando t=0,  X0 = 0.5, (nuestro valor observado), puedes buscar el valor de la variable para las próximas horas. Con la calculadora hazlo para 20 horas o para 200 horas en una computadora. Usa ejes de coordenadas cartesianas para graficar los resultados, representando el tiempo en el eje X y el parámetro X en el eje Y.