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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA La atmósfera y su movimiento. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La Tierra está rodeada por una gruesa capa de aire: la atmósfera. Con la altura, el aire se vuelve cada vez más enrarecido y menos denso. En la superficie de la Tierra, al nivel del mar, un metro cúbico de aire pesa alrededor de 0 kilogramos a 1,3 grados; y a una altitud de 25 kilómetros sobre la superficie terrestre, un metro cúbico de aire ya pesa más de treinta veces menos. Aunque el espesor de la atmósfera terrestre alcanza muchos cientos de kilómetros, no es nada grande en comparación con el volumen del globo. La capa más baja de la atmósfera, entre 9 y 18 kilómetros sobre la superficie terrestre, se llama troposfera. Esta capa contiene más de 3/4 en peso de aire. Las capas superiores se llaman estratosfera e ionosfera. El aire, como todos los objetos, tiene peso; presiona con gran fuerza sobre la Tierra y sobre todos los que viven en ella; esta fuerza en la superficie de la Tierra es igual a aproximadamente un kilogramo por cada centímetro cuadrado de área corporal. Con la altitud, la presión del aire disminuye gradualmente. Pero incluso en la superficie de la Tierra, como veremos más adelante, la presión atmosférica nunca es constante, siempre cambia. La presión del aire igual a la presión que ejerce una columna de mercurio de 0 milímetros de altura a 760 grados se llama presión atmosférica normal. Esta presión es igual a 1,0336 kilogramos por centímetro cuadrado. En meteorología, la presión del aire suele medirse en milibares. Un milibar equivale aproximadamente a la presión que ejerce un gramo sobre la superficie de un centímetro cuadrado. La presión atmosférica normal es de aproximadamente 1000 milibares. La meteorología es la ciencia de la atmósfera y de los fenómenos que en ella ocurren, principalmente físicos. En un concepto más restringido, esta es la ciencia del clima y sus cambios. La atmósfera nunca está en reposo. En todas partes, en los polos y bajo los trópicos, debajo, en la superficie de la Tierra y arriba, donde flotan las nubes, el aire está en movimiento. El movimiento del aire alrededor de la tierra se llama viento. ¿Qué provoca el movimiento del aire en la atmósfera? ¿Por qué soplan los vientos? Para comprender claramente la causa del viento, recordemos el conocido fenómeno. Cuando en invierno se abre la puerta de una habitación con calefacción a la calle o a una habitación más fría, el aire frío de abajo entra en la habitación cálida. Al mismo tiempo, el aire caliente de la habitación saldrá desde arriba. Es fácil verificar esto. Encienda una vela o una cerilla y colóquela cerca de la puerta abierta, primero abajo, en el umbral y luego arriba (Fig. 1). En la parte inferior, la llama de la vela será notablemente desviada por el flujo de aire frío que ingresa a la habitación, y en la parte superior, por el contrario, el flujo de aire caliente proveniente de la habitación desviará la llama de la vela fuera de la habitación.
¿Por qué está pasando esto? Este es el por qué. Si tomamos dos volúmenes de aire idénticos, pero calentados de manera diferente, entonces el volumen de aire más frío siempre será más denso y, por lo tanto, más pesado. Cuando se calienta, el aire, como todos los cuerpos, se expande, se vuelve menos denso y más ligero. Cuando abrimos la puerta que da a la calle, el aire exterior, más frío y denso, entra en la habitación cálida, empujando hacia arriba el aire interior, menos denso y ligero. El aire exterior, más pesado, ingresa a la habitación desde abajo y se ubica en la habitación en las capas inferiores, cerca del piso. Desplazado por el aire frío y pesado, el aire caliente asciende y sale de la habitación hacia el exterior por la parte superior de las puertas abiertas. Este ejemplo nos permitirá comprender las razones del movimiento del aire en la atmósfera. El calor solar que cae sobre la Tierra calienta principalmente su superficie. La atmósfera absorbe sólo una pequeña porción de la energía solar térmica. La superficie calentada del globo calienta las capas inferiores de aire en contacto con ella. Las capas de aire cálido se mezclan con las frías y les dan su calor; Así se calienta el aire. Por lo tanto, cuanto más calienta la superficie de la Tierra por el Sol, más se calienta también el aire que se encuentra encima de ella. Pero, ¿cómo calienta el Sol la superficie de la Tierra? Lejos de ser lo mismo. Esto se debe principalmente al hecho de que en diferentes épocas del año y en diferentes zonas climáticas.
En la Tierra, el Sol sale por el horizonte de diferentes maneras. Cuanto más alto está el Sol sobre el horizonte, más calor solar cae sobre la misma zona de la superficie de la Tierra (Fig. 2). Gracias a la forma esférica de la Tierra en el ecuador y cerca de él, los rayos del Sol caen abruptamente, casi verticalmente al mediodía. En los países de clima templado, los rayos del sol inciden sobre la superficie terrestre de forma mucho más plana. Y en los países polares y en los polos, los rayos del sol sólo parecen deslizarse sobre la superficie de la tierra: el Sol sale relativamente bajo sobre el horizonte. Además, en invierno el Sol no aparece en absoluto sobre el horizonte: hay una larga noche polar. Por la misma razón, la temperatura de la superficie terrestre cambia a lo largo del día. Durante el día, cuando el Sol está alto en el cielo, la superficie de la Tierra es la que más se calienta, por la noche, cuando el Sol se esconde detrás del horizonte, la Tierra comienza a enfriarse, y por la noche y por la mañana su temperatura desciende aún más. más bajo.
Además, el calentamiento desigual de la superficie terrestre se explica por el hecho de que el Sol calienta y enfría diferentes áreas de la superficie de manera diferente. De particular importancia es la capacidad del agua y la tierra para calentarse y enfriarse de manera diferente. La tierra se calienta rápidamente a una temperatura más alta, pero se enfría rápidamente. El agua (especialmente en los mares y océanos), debido a la mezcla constante, se calienta muy lentamente, pero retiene su calor por mucho más tiempo que la tierra. Esto se explica por el hecho de que la capacidad calorífica del agua y la tierra es diferente (la capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo en un grado). Las distintas zonas de la tierra también se calientan de forma diferente bajo los rayos del sol. Por ejemplo, un suelo negro y desnudo se calienta mucho más que, por ejemplo, un campo verde. La arena y la piedra se calientan fuertemente con el sol, los bosques y la hierba se calientan mucho menos. La capacidad de diferentes áreas de la Tierra para calentarse de manera diferente bajo los rayos del Sol también depende de qué fracción de los rayos que inciden en la superficie es absorbida por la superficie y qué se refleja. Diferentes cuerpos tienen diferente reflectividad. Por tanto, la nieve absorbe sólo el 15 por ciento de la energía solar, la arena, el 70 por ciento y el agua refleja sólo el 5 por ciento y absorbe el 95 (Fig. 4). Las partes del globo que se calientan de manera diferente hacen que el aire se caliente de manera diferente. En este ejemplo se puede ver cuán diferente es la cantidad de calor que recibe el aire en diferentes lugares. En el desierto, el aire recibe 130 veces más calor de la arena caliente que el aire del agua del mar, situado a la misma latitud que el desierto. Pero el aire calentado de manera diferente tiene, como ya se mencionó, diferentes densidades. Esto crea una presión atmosférica diferente en diferentes lugares: donde el aire está menos caliente y, por tanto, más denso, la presión atmosférica es mayor; por el contrario, donde el aire está más caliente y por tanto más enrarecido, la presión del aire es menor. Y el aire con mayor presión siempre tiende a moverse hacia donde hay menor presión atmosférica, del mismo modo que el agua siempre fluye de un nivel superior a uno inferior. Así surge el viento en la naturaleza. El movimiento constante del aire crea una diferencia de temperatura y presión en la atmósfera, lo que se asocia con un calentamiento desigual del globo por parte del Sol.
Así, el viento en la naturaleza surge debido a la energía de los rayos del sol. En la Figura 5 mostramos un diagrama simplificado de las principales corrientes de aire. Como puede verse en el diagrama, incluso en su forma más simple, el movimiento de masas de aire sobre la Tierra es una imagen bastante compleja. En el ecuador, debido al fuerte calentamiento de la superficie, hay una presión de aire baja constante. Las corrientes de aire fluyen aquí desde el norte y el sur y crean vientos constantes: los vientos alisios. Estos vientos son desviados por la rotación de la Tierra. En el hemisferio norte, si miras en la dirección en la que sopla el viento alisio, el viento se desvía hacia la derecha, en el hemisferio sur, hacia la izquierda. A una altitud de 3 a 7 kilómetros en estas áreas, soplan vientos contrarios al alisio, vientos en la dirección opuesta. Hay una zona tranquila cerca del ecuador. A medida que se alejan del ecuador, los vientos antialisios se desvían cada vez más de su dirección hacia los polos. Aproximadamente a los 30 grados de latitud, se observan bandas de calma a ambos lados del ecuador; en estas zonas, las masas de aire que fluyen desde el ecuador (vientos antialisios) descienden y crean una zona de alta presión. Aquí es donde se originan los vientos alisios. Desde aquí abajo los vientos soplan hacia los polos. Estos vientos son predominantes del oeste; En comparación con los vientos alisios, son mucho más variables. Los viejos marineros llaman a las zonas entre 30 y 60 grados zonas de "tormentas del oeste". Las bandas tranquilas alrededor de los 30 grados de latitud a veces se denominan latitudes de caballo. Aquí prevalece el tiempo despejado y la alta presión atmosférica. Este extraño nombre se ha conservado desde la época en que los marineros navegaban en barcos y se aplicaba únicamente a la zona cercana a las Bermudas. Muchos barcos transportaban caballos desde Europa a las Indias Occidentales. Al encontrarse en un período de calma, los veleros perdieron la capacidad de moverse. A menudo los marineros se encontraban en condiciones difíciles. Los suministros de agua se agotaron y los caballos fueron los primeros en morir de sed. Los cadáveres de caballos arrojados por la borda fueron arrastrados por las olas durante mucho tiempo. Los vientos que soplan desde los polos a menudo se denominan vientos polares del este (ver Fig. 5).
El panorama que hemos descrito sobre las principales corrientes de aire sobre la Tierra se complica aún más por los vientos constantes que surgen debido al calentamiento desigual del agua y la tierra. Ya hemos dicho que la tierra se calienta y se enfría más rápido que el agua. Gracias a esto, durante el día la tierra consigue calentarse mucho más que el agua; por la noche, por el contrario, el agua se enfría más lentamente que la tierra. Por tanto, durante el día el aire sobre la tierra se calienta más; el aire caliente sube y aumenta la presión atmosférica allí. Las corrientes de aire (a una altitud de aproximadamente 1 km) se precipitan hacia el agua y se establece una mayor presión atmosférica sobre la superficie del agua. Como resultado de esto, un viento fresco, una brisa, comienza a soplar desde el agua de abajo (Fig. 6).
Pero luego llega la noche. La tierra se enfría rápidamente; el aire adyacente también se enfría. Aire frío, condensación, se hunde. Su presión en las capas superiores disminuye. Al mismo tiempo, el agua permanece caliente durante mucho tiempo y calienta el aire que se encuentra encima. Se calcula que enfriar un grado un metro cúbico de agua de mar produce una cantidad de calor suficiente para calentar un grado más de 1 mil metros cúbicos de aire. Cuando se calienta, el aire se eleva y crea allí una mayor presión atmosférica. Como resultado, el viento terrestre comienza a soplar arriba y la brisa continental debajo sopla de la tierra al agua (Fig. 3).
Estos vientos terrestres son conocidos por todos los que viven a orillas de grandes lagos o mares. Bien conocidas son, por ejemplo, las brisas de los mares Negro, Azov y Caspio; Así, en Sujumi hay brisa durante todo el año. La brisa también sopla en grandes lagos como Sevan, Issyk-Kul, Onega y otros. También se observan brisas en las orillas de grandes ríos, por ejemplo, en el Volga cerca de Saratov, en su margen alta derecha. Las brisas no viajan muy lejos. Estos son vientos puramente locales. El calentamiento desigual del agua y la tierra en las zonas costeras de los mares y océanos crea vientos similares a la brisa. Estos son los llamados monzones. Los monzones son vientos estacionales; soplan la mitad del año en una dirección y la mitad del año en la otra. Soplan debido al diferente calentamiento y enfriamiento de los mares y continentes en invierno y verano. En verano, el aire del continente se calienta mucho más que el del mar. Por el contrario, en invierno el aire sobre el mar (océano) resulta más cálido que el aire sobre tierra firme. Esto se explica por el hecho de que en verano los continentes se calientan más y en invierno se enfrían más que el agua, mientras que el mar, más frío en verano, se vuelve más cálido que la tierra en invierno. La gran capacidad calorífica del agua permite que el océano almacene enormes reservas de calor del verano. Así, en verano, los continentes parecen calentar la atmósfera y los mares y océanos la enfrían. En invierno, la situación cambia: los mares se convierten en “estufas atmosféricas” y los continentes en “refrigeradores”. Por eso soplan los monzones; en invierno, de la tierra al mar, y en verano del mar al continente. Los monzones se observan en todas las zonas climáticas, incluso en las costas del Océano Ártico. La dirección de los monzones también se ve afectada por la rotación de la Tierra. Los monzones son más pronunciados en la India. Finalmente, para una descripción general de las corrientes de aire, es necesario decir algo sobre los vórtices atmosféricos: los ciclones. Las corrientes de aire de las que hablamos anteriormente están asociadas con el movimiento de enormes volúmenes de aire en la atmósfera: masas de aire. Se suele denominar masa de aire a aquellos volúmenes de aire que conservan determinadas propiedades durante algún tiempo. Por ejemplo, una masa de aire procedente del Ártico trae consigo bajas temperaturas y aire seco y transparente. La interfaz entre dos masas de aire diferentes se llama frente. A ambos lados del frente a menudo hay temperaturas del aire, velocidades del viento, etc. muy diferentes. Por lo tanto, cuando un frente pasa sobre un lugar, el clima en esa zona suele cambiar dramáticamente. Cuando dos masas de aire vecinas, que tienen diferentes temperaturas (y por lo tanto diferentes densidades de aire), se mueven a diferentes velocidades, o cuando se mueven entre sí a lo largo del frente (Fig. 8 arriba) en la superficie límite de las masas de aire, debido a la Al interactuar masas de aire cálidas y frías, surge una perturbación de ondas: se forma una especie de onda de aire en el frente. En este caso, el aire frío fluye bajo el aire caliente y el aire caliente, a su vez, comienza a empujar el aire frío hacia atrás. Las corrientes de aire comienzan a arremolinarse. La perturbación de las olas en el frente crece, la interfaz entre las dos masas de aire se curva cada vez más: así surge gradualmente un movimiento de aire cada vez más fuerte: un ciclón (ver Fig. 8).
Hay tres frentes principales donde se producen los ciclones: ártico, polar y tropical. El frente ártico es la línea divisoria entre el aire ártico y el polar (latitudes norte). El frente polar separa el aire polar y tropical (latitudes templadas). El frente tropical es la línea divisoria entre el aire tropical y el ecuatorial (latitudes del sur). La presión atmosférica en un ciclón disminuye hacia su centro. En el centro del ciclón la presión del aire es más baja. Si en un mapa del área donde se está desarrollando un ciclón, todos los puntos con la misma presión están conectados por líneas, por ejemplo, una línea conectará todos los puntos con una presión de 990 milibares, otra, con una presión de 995 milibares, etc. .- entonces resulta que todas las líneas que se encuentran en las áreas del ciclón serán líneas curvas cerradas (Fig. 9). Estas líneas se llaman isobaras. La isobara situada en el centro de esta zona conectará los puntos con menor presión. Gracias a esta distribución de la presión en el ciclón, los vientos soplan desde los bordes hacia el centro, de modo que se forma un círculo de viento que sopla en sentido antihorario.
El ciclón se desplaza por la atmósfera; trae consigo un cambio brusco en la dirección y velocidad del viento. La velocidad media de los ciclones es de 25 a 40 kilómetros por hora. Además de los ciclones, es decir, zonas de baja presión, también aparecen en la atmósfera zonas de alta presión, los anticiclones. Aquí la presión del aire aumenta hacia el centro. Los ciclones y anticiclones suelen cubrir áreas muy extensas, extendiéndose a lo largo de miles de kilómetros. Por tanto, estas perturbaciones atmosféricas tienen un impacto notable en la circulación general del aire en la atmósfera y la complican aún más. La aparición y cambio de varios vientos en latitudes templadas se asocian principalmente con el movimiento de ciclones y anticiclones. En las perturbaciones ciclónicas que se originan en el frente tropical sobre los mares del sur se producen vientos muy fuertes con fuerza de huracán. Estos ciclones se llaman tropicales. Autor: Karmishin A.V.
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