E1 Núcleo Dinámico

Tópico

El núcleo dinámico de la atmósfera es el conjunto de ecuaciones de movimiento que gobiernan cómo se comporta el fluido atmosférico mientras gira junto con la Tierra. Esas ecuaciones, llamadas ecuaciones primitivas, se derivan de las ecuaciones generales de Navier-Stokes que describen cualquier fluido, pero simplificadas con dos aproximaciones propias de la atmósfera: la aproximación hidrostática, según la cual la presión en cualquier punto es igual al peso del aire que se apila encima de él, y una aproximación que simplifica cómo se representa la curvatura de la Tierra a las escalas horizontales tan grandes con las que trabaja el núcleo dinámico de la atmósfera. Con esas dos simplificaciones, las ecuaciones primitivas describen cómo evolucionan en el tiempo el viento horizontal, la temperatura y la humedad, expresados en coordenadas que usan la presión en vez de la altura para ubicar cada nivel de la atmósfera.

Dentro de estas ecuaciones primitivas, la fuerza de Coriolis es la que distingue a la atmósfera de cualquier otro fluido: es una fuerza que depende tanto de la velocidad del viento como de la velocidad de rotación de la Tierra, y que deflecta cualquier movimiento hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. Esa deflexión sistemática es la que hace que el aire, en vez de fluir en línea recta desde las zonas de alta presión hacia las de baja presión, termine girando a su alrededor, y es así como la fuerza de Coriolis se vuelve responsable de la formación de los ciclones y los anticiclones.

Cuando el gradiente de presión que empuja el aire desde la alta hacia la baja presión se equilibra exactamente con la fuerza de Coriolis que lo desvía, el resultado es el viento geostrófico, un viento que ya no fluye hacia la baja presión sino paralelo a las líneas de presión constante. Este equilibrio entre el gradiente de presión y la fuerza de Coriolis es una buena aproximación del viento real en las escalas de miles de kilómetros que maneja el núcleo dinámico de la atmósfera, aunque deja de serlo a escalas mucho más pequeñas.

Hay, sin embargo, una cantidad que se conserva incluso mejor que el propio viento geostrófico: la vorticidad potencial de Ertel, que permanece constante mientras el aire se mueve sin intercambiar calor con su entorno y sin fricción que lo frene. Precisamente porque se conserva en esas condiciones, la vorticidad potencial de Ertel es la variable dinámica más fundamental para diagnosticar y predecir el flujo atmosférico a gran escala: basta con seguir cómo se mueve esta cantidad conservada para reconstruir buena parte de cómo se mueve el resto de la atmósfera a su alrededor.

La vorticidad potencial de Ertel describe sobre todo el movimiento horizontal de la atmósfera, pero ese mismo movimiento horizontal también determina el movimiento vertical: cuando el viento horizontal converge hacia un mismo punto en la superficie, el aire que se acumula ahí no tiene a dónde ir más que hacia arriba, y ese punto experimenta ascenso; cuando el viento horizontal diverge, alejándose de un mismo punto, el aire que falta se repone desde arriba, y ese punto experimenta subsidencia. La divergencia del viento horizontal es, entonces, la que produce el movimiento vertical, al que en estas coordenadas de presión se le llama omega.

La ecuación que relaciona ese movimiento vertical, omega, con el resto del flujo geostrófico es la ecuación de omega del modelo cuasi-geostrófico: según esta ecuación, el movimiento vertical depende de cómo el viento geostrófico transporta la vorticidad de un lugar a otro y de cómo transporta también la temperatura, de modo que allí donde ese transporte de vorticidad y ese transporte de temperatura se combinan de cierta manera, la atmósfera responde generando el ascenso o la subsidencia necesarios para mantener el equilibrio geostrófico. Esta ecuación de omega es, precisamente, la base con la que se diagnostican los sistemas de tiempo: los mismos ciclones y anticiclones que la fuerza de Coriolis ayuda a formar terminan explicándose, en último término, por cómo el núcleo dinámico de la atmósfera combina la fuerza de Coriolis, el viento geostrófico, la vorticidad potencial de Ertel y el movimiento vertical en una sola descripción coherente del fluido atmosférico en rotación.

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