Meteorología y la teoría del caos

Enlazando con el primer programa de la segunda temporada de Física en las Ondas, hoy os explicaremos en que consiste la meteorología y su relación con la Teoría del Caos. También describiremos en que consisten los fenómenos meteorológicos comunes como son los huracanes, las tormentas y el arco iris o los más extraños como son los tres soles, los duendes y las Nubes Pyrocumulus.

La meteorología

La meteorología o física de la atmósfera es la ciencia que estudia que estudia el estado del tiempo, el medio atmosférico, los fenómenos producidos y las leyes que lo rigen. Debemos diferenciar la meteorología de la climatología, ya que la meteorología estudia el clima a corto plazo y la climatología a largo plazo, y en este artículo únicamente nos centraremos en la meteorología.

La meteorología se ocupa del estudio de los cambios atmosféricos valiéndose de factores como la temperatura del aire, la humedad, la presión atmosférica, el viento o las precipitaciones. Su principal objetivo es poder vaticinar el tiempo o elaborar un pronóstico a corto plazo. Por otro lado, la climatología estudia el clima y sus variaciones a lo largo del tiempo. Aunque utiliza los mismos parámetros tienen objetivos distintos, ya que la climatología estudia las características climáticas a largo plazo.

La rama de la meteorología se divide a su vez en más ramas:

  • Meteorología física: estudia las propiedades físicas de la atmósfera.
  • Meteorología Dinámica: estudia la atmósfera desde el punto de vista de las leyes de la dinámica que gobiernan los sistemas meteorológicos.
  • Meteorología experimental: estudia los fenómenos y procesos meteorológicos en laboratorios y campos de experimentación.
  • Meteorología aplicada: estudia los efectos de la meteorología en todas las actividades humanas.
  • Meteorología Aeronáutica: estudia el efecto que los fenómenos meteorológicos tienen sobre las aeronaves y todo lo concerniente a la aeronavegación.
  • Hidrometeorología: Rama de la Meteorología que se relaciona con Hidrología.
  • Meteorología Agrícola: se ocupa del estudio del impacto de los fenómenos meteorológicos sobre todo lo que se relaciona con la agricultura.
  • Meteorología Marítima: estudia la interacción entre la atmósfera y el mar.
  • Meteorología Médica: Meteorología relacionada con la salud humana.
  • Micrometeorología: estudia las condiciones meteorológicas a pequeña escala.
  • Macrometeorología: estudia las condiciones meteorológicas a gran escala.

Desde los tiempos más remotos (egipcios y babilonios) se tiene constancia de la observación de los cambios de la atmósfera y sus fenómenos derivados. Pero el término de meteorología los conocemos como tal gracias a una obra escrita por Aristóteles en el 320 a.c. Meteorológica. Sin embargo, no se comenzará a estudiar la atmósfera hasta el siglo XVII debido a la aparición de nuevos instrumentos más precisos: el termómetro (Galileo, 1607), el barómetro (Torricelli, 1643), el anemómetro (Hooke, 1667) y el higrómetro de cabello (Horace de Saussure, 1780).

Figura 1: Higrómetro de cabello capaz de medir la humedad del aire gracias a la longitud de un cabello. Fuente: Collège de Saussure.

El segundo gran avance en materia de meteorología se produjo a principios del siglo XX durante la primera guerra mundial, extendiéndose la red meteorológica por todo el mundo. A mediados de este siglo, se comenzará a elaborar previsiones meteorológicas diarias y mapas meteorológicos gracias a los buques meteorológicos. En 1960, la naturaleza caótica de la atmósfera fue comprendida por Edward Lorenz, fundador del campo de la teoría del caos. Los grandes avances matemáticos en este campo contribuyeron a establecer el de predictibilidad del modelo atmosférico.

Para realizar la previsión del tiempo diaria se realizan varias veces por día la medición de datos de cada estación meteorológica, de los barcos y de los satélites. Esta masiva cantidad de datos son recogidos por los centros especializados, a nivel regional, encargados de procesarlos, estudiarlos y analizarlos para hacer progresar la meteorología y prever el tiempo en los días siguientes.

La gran cantidad de factores que influyen en el análisis de la meteorología la convierte en un sistema dinámico muy sensible a los cambios en las variables iniciales, lo que hace del clima un sistema apropiado para trabajarlo con matemática caótica, perteneciente a la rama de la Teoría del Caos. En consecuencia, la precisión de las predicciones meteorológicas es relativa, y depende de los criterios empleados para estimar la exactitud de una predicción.

Todos los resultados que conlleva la Teoría del Caos dentro de la meteorología  implican una imposibilidad práctica de predecir el tiempo atmosférico a medio y largo plazo. Para realizar una predicción del tiempo para dentro de dos meses (es una estimación), se necesitaría conocer las condiciones iniciales con una precisión unas 100 mil veces superior a la precisión obtenida por dicha predicción. Para conocer más sobre la Teoría del Caos podéis leer nuestro artículo Sistemas caóticos y teoría del caos, en el cual se explica que es el caos y que son los sistemas caóticos.

Fenómenos meteorológicos y grados de intensidad

En esta segunda parte, explicaremos en qué consisten los fenómenos meteorológicos comunes y los más extraños. También daremos una breve explicación a la formación de algunos de ellos.

Dentro de la categoría de fenómenos meteorológicos comunes tenemos tres grados distintos de intensidad:

  • Intensidad baja: son fenómenos que no tienen ningún efecto dañino en los entornos a los que afectan. Ejemplos de este tipo son el arco iris o la lluvia tenue.
  • Intensidad media: son fenómenos que de acuerdo al lugar y el momento del año en el que se manifiesten, no deberían tener efectos especialmente dañinos en los entornos a los que afectan. Ejemplos de este tipo son el viento, la niebla o las tormentas.
  • Intensidad alta: son fenómenos que en la mayoría de casos tienen efectos dañinos en los entornos a los que afectan. Ejemplos de este tipo son las tormentas tropicales o los huracanes.

A continuación les explicaremos algunos efectos meteorológicos, desde los más comunes hasta efectos tan extraños que se conocen solamente desde hace varias décadas.

Arco iris

Un arco iris es un efecto meteorológico que deriva de la fragmentación de la luz solar al pasar a través de las gotas de lluvia suspendidas en la atmósfera, que desemboca en la posible percepción del espectro de los colores de la luz visible en forma de arco en algún punto concreto de la atmósfera. Este fenómeno suele manifestarse después de la lluvia o la tormenta.

Figura 3: Arco iris captado en Vieques, Puerto Rico.

Tormentas

Las tormentas se generan, en la mayoría de los casos, cuando masas de aire húmedo se elevan a través de capas de aire más frío. Esto es un ejemplo de corriente de convección: el aire caliente se eleva dejando un espacio tras de sí; el aire frío, más denso, se desplaza para llenarlo.

El suelo, generalmente más caliente que el aire, eleva la temperatura del mismo en contacto con él, y este aire caliente, que es más liviano que la capa que tiene encima, empieza a ascender. A medida que sube, aumenta su volumen y, por lo tanto, se enfría; pero continúa elevándose, ya que las capas que va atravesando son progresivamente más frías y más densas (esto se debe a que la temperatura decrece a medida que aumenta la distancia a la superficie de la Tierra) .

Llega un momento en que el aire ascendente se ha enfriado tanto que no puede mantener toda el agua que contiene en forma de vapor, y el exceso de vapor de agua se condensa, formando una nube. Si esta es una nube de tipo tormentoso, se llama cumulonimbo.

A su vez, la formación de gotas de agua hace que se desprenda calor, que hace impulsar al aire más hacia arriba. La temperatura del aire exterior a la nube se mantiene más fría para que pueda seguir elevándose. Los rayos se producen por la interacción entre las partículas positivas y negativas. Por encima de los 5000 metros de altura las partículas de granizo formadas adquieren carga positiva al chocar con cristales de hielo , que se cargan negativamente.

De esta forma los cristales, más ligeros que el granizo son arrastrados hacia la cima de cumulonimbo formando una región de carga positiva en la parte superior de la nube, mientras que en la inferior se acumula la carga negativa. Como consecuencia se producen una diferencia de potencial eléctrico tanto dentro de la nube como fuera, ya que la superficie de la tierra se carga también positivamente.

Diariamente se producen en todo el planeta unas 44.000 tormentas y un número de rayos estimado de 8.600.000, unos 100 por segundo.

Figura 4: Tormentas en Cullera, Comunidad Valenciana. Fuente: Las Provincias.

Huracanes

Los huracanes son sistemas tormentosos “cerrados”, donde la masa de aire fría gira alrededor de un núcleo cálido. Los huracanes reciben distinto nombre según en la zona que se encuentre.En el Océano Atlántico y el este del Pacífico se les llama huracanes o ciclón tropical en el Caribe. En la Bahía de Bengala y en el Océano Índico se les conoce como ciclones, tifón en el Océano Índico y mar de Japón, baguío en Filipinas y willy-willy en Australia.

Los huracanes se originan cuando una serie de tormentas eléctricas se acumulan y se desplazan sobre aguas oceánicas cálidas. El aire cálido de la tormenta y de la superficie oceánica se fusionan y empieza a elevarse. Los vientos dentro que circulan en direcciones opuestas hacen que la tormenta comience a girar. Al subir, el aire caliente provoca que la presión disminuya con la altitud. El aire se eleva cada vez más dinámico para intentar llenar este espacio de baja presión, por lo que atrae cada vez más aire cálido de la superficie marina y absorbe aire más frío y seco hacia abajo.

Conforme la tormenta se va desplazando sobre el océano, succiona más cantidad de aire húmedo y cálido. La velocidad del viento continúa aumentando a medida que el aire va siendo succionado por el centro de bajas presiones. Los huracanes tienen en su centro una zona de vientos calmados y sin casi precipitaciones, denominado ojo, rodeado de una banda nubosa de tormentas con pesadas precipitaciones y vientos pesados.

Figura 5: Huracán Florence cerca de la costa este de Estados Unidos el 12 de septiembre de 2018. Fuente: NOAA.

Fenómenos meteorológicos extraños

La meteorología depende de dos tipos de factores: climáticos (presión, temperatura, viento…) y no climáticos (localización terrestre, altitud…). Como resultado de tantos factores que pueden influir se producen fenómenos meteorológicos extraños.

Los tres soles es un fenómeno rarísimo que parece sacado de la ciencia ficción, se debe a la refracción de la luz del sol en los cristales(normalmente de tipo hexagonal) de hielo que están presentes dentro de las nubes de tipo cirriforme. En el momento que sobre estos cristales incide la luz solar se refleja la luz del sol a ambos lado en el horizonte, creando la apariencia de que existen dos soles adicionales, uno a cada lado del original

Figura 6: Fotografía tomada en Harbin, China en 2018. Fuente: National Geographic .

En la atmósfera superior se producen decenas de fenómenos meteorológicos muy curiosos. Uno de estos fenómenos se denomina sprite (“duendes” en su nombre poético) que son descargas eléctricas que emiten una luz rojiza. Se producen a una altitud aproximada de 80 kilómetros. A la vez que este fenómeno tiene lugar suele ocurrir un blue jet, un cono de luz de color azul formado a altura menor que los primeros. Estos fenómenos apenas duran unas fracciones de segundo.

Figura 7: Foto tomada en Rusia en 1995. Fuente: NASA.

Las Nubes Pyrocumulus (Nube de Fuego) son un tipo de formación nubosa con apariencia de seta que se crean si la temperatura del aire en la superficie terrestre se calienta rápidamente. Conforme la temperatura aumenta, se van originando movimientos convectivos que provocan que la masa de aire se eleve hasta alcanzar un punto donde se queda estable. Estas nubes se forman en erupciones volcánicas, explosiones nucleares y, con menos probabilidad, en incendios forestales.              

Figura 8: Nubes Pyrocumulus captada en el Cañón Azusa en el Monte Wilson Red Box Road, California.
Fuente: Wikipedia.

 

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