Sistema Climático
El sistema climático se considera formado por cinco elementos o cinco subsistemas. La atmósfera (la capa gaseosa que envuelve la Tierra), la hidrósfera (el agua dulce y salada en estado líquido de océanos, lagos, ríos y agua debajo de la superficie), la criósfera (el agua en estado sólido), la litósfera (el suelo y sus capas) y la biósfera (el conjunto de seres vivos que habitan la Tierra). El clima es consecuencia del equilibrio que se produce en la interacción entre esos cinco componentes.
Debido a que las actividades humanas son de extrema importancia para el estudio del cambio climático, están separadas de la biomasa y son estudiadas de forma individual. Así mismo, si se considera la actividad solar y las actividades humanas, se habla de un gran sistema llamado Sistema Global.
Esquema del sistema climático global. Créditos: IPCC.
Atmósfera
Es la capa gaseosa que rodea al planeta y uno de los componentes más importantes del clima. Es el presupuesto energético de ella la que primordialmente determina el estado del clima global, por ello es esencial comprender su composición y estructura. Los gases que la constituyen están bien mezclados, pero no es físicamente uniforme pues tiene variaciones significativas en temperatura y presión, relacionado con la altura sobre el nivel del mar. Se divide teóricamente en varias capas concéntricas sucesivas. Estas son, desde la superficie hacia el espacio exterior: tropósfera, tropopausa, estratósfera, estratopausa, mesósfera y termósfera.
La tropósfera o baja atmósfera, es la que está en íntimo contacto con la superficie terrestre y se extiende hasta aproximadamente 11 km sobre el nivel del mar (s.n.m.). Abarca el 75% de la masa de gases totales que componen la atmósfera, siendo que el 99% de la masa de la atmósfera se encuentra bajo los 30 km s.n.m. Consta en particular el 99% de dos gases, el Nitrógeno (N2, 78%) y Oxígeno (O2, 21%). El 1% que resta consta principalmente de Argón (Ar, 1%) y Dióxido de Carbono (CO2, 0,035%). El aire de la tropósfera incluye vapor de agua en cantidades variables de acuerdo a condiciones locales, por ejemplo, desde 0,01% en los polos hasta 5% en los trópicos. La temperatura disminuye con la altura, en promedio, 6,5° C por kilómetro. La mayoría de los fenómenos que involucran el clima ocurren en esta capa de la atmósfera, en parte sustentado por procesos convectivos que son establecidos por calentamiento de gases superficiales, que se expanden y ascienden a niveles más altos de la tropósfera donde nuevamente se enfrían. Esta capa incluye además los fenómenos biológicos.
La tropopausa marca el límite superior de la tropósfera, sobre la cual la temperatura se mantiene constante antes de comenzar nuevamente a aumentar por sobre los 20 km s.n.m. Esta condición térmica evita la convección del aire y confina de esta manera el clima a la troposfera.
La capa por sobre la tropopausa en la que la temperatura comienza a ascender se llama estratósfera, una vez que se alcanzan los 50 km de altura, la temperatura ha llegado a los 0°C. Por lo tanto, se extiende desde los 20 km hasta 50 km s.n.m. Contiene pequeñas cantidades de los gases de la tropósfera en densidades decrecientes proporcional a la altura. Incluye también cantidades bajísimas de Ozono (O3) que filtran el 99% de los rayos ultravioleta (UV) provenientes de las radiaciones solares. Es esta absorción de UV la que hace ascender la temperatura hasta cerca de los 0°C. Este perfil de temperaturas permite que la capa sea muy estable y evita turbulencias, algo que caracteriza a la estratósfera. Esta, a su vez, está cubierta por la estratopausa, otra inversión térmica a los 50 km.
La mesósfera se extiende por encima de los 50 km, la temperatura desciende hasta -100 °C a los 85 km, su límite superior. Por sobre los 85 km s.n.m., encima de la mesósfera, se extiende la termósfera, en ella la temperatura asciende continuamente hasta sobre los 1000 °C. Por la baja densidad de los gases a esas altitudes no son condiciones de temperatura comparables a las que existirían en la superficie.
Capas de la atmósfera. Créditos: AEMET.
Vientos
Los vientos son los responsables de producir las olas y las corrientes en el océano. A su vez es el calentamiento solar lo que impulsa los vientos. La mayor energía solar se recibe en la región ecuatorial, por eso el aire es más caliente en esta región y más frío en los polos. El aire caliente, por ser menos denso, se eleva formando una baja presión. Según el aire caliente se aleja de la región ecuatorial hacia el norte o hacia el sur, se enfría y se torna más denso y bajo. Esto ocasiona un gradiente de presión y otra masa de aire tiene que remplazarlo, ocasionando el viento. Entonces se forma una celda de circulación o de convección.
Debido a la rotación de la Tierra, todo lo que se mueve en su superficie no sigue una línea recta. Así cuando el aire caliente de la región ecuatorial asciende se forman las calmas ecuatoriales (“doldrums”) y al ser reemplazado por aire de latitudes más altas, se forman los Vientos Alisios. Estos soplan del noreste y sureste desde las altas presiones subtropicales hacia las bajas presiones tropicales de la región ecuatorial. Los otros vientos también son impulsados por la energía solar, pero tienden a ser más variables que los alisios.
Patrones de vientos alisios y celdas de circulación globales. Créditos: AEMET.
Océano
El agua salada del océano tiene propiedades únicas que la distinguen de otros fluidos. Entre las más importantes está su alto calor específico, su leve conducción de calor y la gran capacidad de disolución. En gran medida estas propiedades dependen de la temperatura, salinidad y presión. Las aguas cálidas superficiales transmiten el calor a las aguas próximas debajo de ellas formando una zona de productividad, aproximadamente de 200-400 m de profundidad. A los 1000-1800 m la temperatura disminuye gradualmente, y bajo los 1800 m el agua se mantiene fría.
La salinidad de la superficie del agua depende mayormente de la evaporación y la precipitación. En zonas tropicales donde la evaporación es mayor que la precipitación encontramos agua de mayor salinidad (>35 unidades prácticas de salinidad o PSU, por sus siglas en inglés). En las regiones costeras, el agua dulce desemboca cerca de las bocas de los ríos y la salinidad generalmente no excede de 20 PSU. En las zonas de los polos, el proceso de congelamiento y derretimiento de los hielos ejerce mayor influencia sobre la salinidad de las aguas superficiales. En el verano del Ártico, encontramos las salinidades más bajas, de alrededor de 29 PSU. La salinidad promedio del océano es de 35 PSU, pero esta puede variar dependiendo de la estación, la latitud y la profundidad. En conjunto, la temperatura y la salinidad afectan la densidad del agua.
El calor se mueve por conducción, convección y radiación. La radiación y la conducción son efectivos en la transmisión vertical del calor desde la superficie de la Tierra, pero son ineficientes en el sentido horizontal. El agua, al igual que el aire, es un fluido que puede transmitir calor de un lugar a otro. Los meteorólogos tienen diferentes términos para los movimientos horizontales y verticales del fluido, el movimiento en dirección vertical se llama convección hacia arriba y subsistencia hacia abajo, al movimiento en la dirección horizontal se le llama advección. La convección contribuye, junto con la radiación y la conducción, al movimiento del calor en dirección vertical, pero la advección es casi el único proceso que contribuye al transporte horizontal del calor sobre la superficie de la tierra.
Hay dos tipos de corrientes en el océano: las corrientes superficiales, que constituyen el 10% del agua del océano y se encuentran desde los 400 m hacia arriba y las corrientes de agua profunda o la circulación termohalina que afectan el otro 90% del océano.
Corrientes Oceánicas Superficiales
Las corrientes oceánicas están influenciadas por fuerzas que inician el movimiento de las masas de agua, estas son: el calentamiento solar y los vientos. El balance entre otro tipo de fuerzas influye en la dirección del flujo de las corrientes, la fuerza de Coriolis (que es siempre hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur) y la gravedad, la cual se dirige hacia el gradiente de presión. Estas corrientes marinas se conocen como Corrientes Geostróficas, (del griego strophe, giro: fuerzas provocadas por la rotación de la tierra).
En el Hemisferio Sur se identifican dos patrones de circulación importantes, en el sentido contrario a las manecillas del reloj, sobre el Pacifico y el Atlántico Sur. El Océano Indico, al oeste de Australia, posee otras circulaciones de menor magnitud localizadas en el Mar de Arabia y la Bahía de Bengala en el Norte. Estos patrones de circulación contribuyen a crear el flujo oeste-este alrededor del casi circular continente Antártico, y este-oeste sobre el ecuador.
Los patrones de circulación, en el sentido de las manecillas del reloj en el Hemisferio Norte, incluyen un giro único en el Atlántico Norte y dos celdas en el Pacifico Norte. Sobre los 40°N. Los patrones de circulación se vuelven complejos debido a las interacciones con los continentes y con el Océano Ártico, pero a pesar de que existen circulaciones pequeñas, el sentido de rotación (a favor de las manecillas del reloj) se mantiene.
Una consecuencia interesante de esta circulación es que, en ambos hemisferios, las costas Oeste de los continentes, generalmente tienen flujos hacia el ecuador y las costas Este tienen flujos hacia los polos. Esto sugiere que las costas Oeste de los continentes tendrán aguas más frías comparadas con las costas Este a la misma latitud.
Patrón de corrientes oceánicas superficiales. Créditos: Trujillo y Thurman.
Corrientes Termohalinas
El término termohalino proviene del griego, “thermos” es caliente, y “alinos” es salino. Las corrientes de agua profunda o la circulación termohalina comprenden el 90% de las corrientes del océano. De ninguna manera las aguas profundas están estancadas, sino que son dinámicas. Estas aguas se sumergen hacia las cuencas oceánicas ocasionadas por fuerzas de cambios en densidad y la gravedad. Las diferencias en densidad son reflejo de las diferencias en temperatura y salinidad.
Las corrientes de aguas profundas se forman donde la temperatura del agua es fría y las salinidades son relativamente altas. La combinación de altas salinidades y bajas temperaturas tornan el agua más densa y más pesada provocando que se hunda. Esto ocurre en las zonas polares, y al hundirse se desplazan hacia las zonas ecuatoriales. El agua de las zonas ecuatoriales, en cambio, es cálida y tiende a desplazarse hacia las zonas polares a través de la superficie. Luego, con el enfriamiento e incremento de densidades estas aguas se sumergen nuevamente, transportando oxígeno a las aguas profundas. Como la disolución de oxígeno es mayor en aguas frías, permite la existencia de la vida también en aguas oceánicas profundas.
Patrón de corrientes termohalinas. Créditos: Trujillo y Thurman.