Trade Lane Megacities. ¿ Juega Dios al billar ?: sistemas meteoclimáticos.

Disclaimer. Esta entrada se redactó casi en su totalidad los días 10 y 11 de agosto de 2013, con ediciones en enero de 2014. Estaba redactando una entrada sobre la historia de las redes comerciales en el Mar de Arabia (en sentido amplio, incluyendo Mar Rojo y Golfo Pérsico)  y me di cuenta que para comprender la dinámica histórica de esta zona era imprescindible conocer bien el fenómeno de los monzones.  Esto me llevó a leer sobre metereología y climatología y decidí incluir un punto en la entrada sobre los fundamentos básicos de esta disciplina. Finalmente se me complicó la  vida en múltiples aspectos y no pude terminarla, ni siquiera la parte climatologica.

Recientemente, por motivos que no viene al caso hacer explícitos, de nuevo me he interesado por Arabia y su historia pre-islámica y tras redactar la entrada anterior he comenzado a leer sobre historia del  sur de Arabia (Yemen, Omán, Golfo Pérsico en general). Y de nuevo he topado con el fenómeno de los monzones. Y me he acordado de esta entrada de hace años. Tras leerla de nuevo (y no me suelo releer), veo que el punto sobre fundamentos climatología es publicable como entrada independiente, con mínimas ediciones, incluso aunque esté incompleto.  Para no caer en ese problema en el que todo bloguero habrá caído, que podemos denominar el problema de la entrada de la marmota (esa entrada a la que se vuelve siempre pero que no se termina por publicar), aplicando los principios de que es más bueno avanzar que quedarse parado y de que lo mejor es enemigo de lo bueno, la publicamos casi tal cuál, con mínimas ediciones y añadidos. 

Los añadidos son:

–Punto I, principios I6 y I7;

–Punto II, estaba bastante incompleto. He añadido los efectos de los cambios en excentricidad, oblicuidad  y otros copiando directamente de wikipedia. He añadido los puntos sobre la precesión absidal e inclinación completos. 

Veo que cuando lo escribí tenía muy claros conceptos, que ahora, al releerlo, me quedan menos claros. A determinadas edades, tres años pueden marcar una importante diferencia…

El título es nuevo, es decir de hoy 17 de diciembre de 2017 y es una variación de una frase bien conocida. Expresa la posibilidad que tendría un hipotético Dios creador de crear planetas con climas a su gusto. El lector lo comprenderá tras leer la entrada. Finalmente comentar que he visto que hace unos tres años escribíamos en un tono de gravedad torera que hemos mantenido.  

Actualización 11 de abril de 2017. De nuevo una trayectoria vital inesperada nos lleva a interesarnos por estos temas medioambientales. No vamos a trabajar en ella pero si nos interesa tenerla publicada. La  publicamos  tal cual. Repetimos una vez más, lease con prudencia y sentido crítico: es un borrador, está inacabada y puede contener errores. Fin de actualización.   

0. Introducción.

Esta entrada es de Ciencias Sociales, más concretamente sobre la historia de una determinada región del globo, el Mar de Arabia. Este mar que en la imagen siguiente indicamos con una cruz roja, ha tenido una historia tan dinámica o más como haya podido tener el Mediterráneo, el Mar de China meridional o el Caribe, todos ellos señalados en verde claro en la  imagen. ¿ Más dinámica porque ha tenido un clima más complejo que el resto, debido al cambiante arco monzónico ?.  Esto pregunta es la que ha motivado la redacción de la entrada. El dinamismo histórico de esta zona contrasta con el de otra zona del índico, el Golfo de Bengala, cuya historia diría (y a lo mejor es simple ignorancia) ha sido  mucho más discreta.

isomorfismo-marc3adtimo2

Aunque hoy las Sociedades Industriales están prácticamente aisladas de los fenómenos  climáticos salvo cuando estos son catastróficos, cuando uno lee sobre prehistoria el efecto de los fenómenos cubiertos por las ciencias de la tierra es clave. Por ello este apartado no es más que una excusa para ponerme al día en metereología y climatología, ya que tenía los conocimientos sobre esta disciplina muy oxidados.

Planteamos el tema de la manera más abstracta posible, definiendo un sistema físico meteoclimático, compuesto por dos cuerpos, un emisor de luz y un receptor de  luz. Primero estudiamos un sistema en el que los dos cuerpos son, el emisor, una esfera perfecta con emisión homogénea y el receptor una esfera perfecta, ambos sujetos a movimientos de traslación y rotación también “perfectos”. Ya en este mismo punto ya introducimos algunas variaciones en los dos tipos movimientos (precesiones orbitales y axiales varias etc…) y estudiamos sus consecuencias. Esto es un sistema de momento con poca física, casi puramente geométrico pero que ya permite explicar fenómenos clave como los ciclos diarios y anuales, asimetrías latitudinales, ciclos de glaciación (según algunas teorías) etc….

En el segundo punto añadimos consideraciones físicas que se añaden a las geométricas: unos principios de termodinámica de sólidos, líquidos y gases, expresados de la manera más ingenua posible para facilitar su comprensión. Con esto se pueden explicar los fenómenos atmosféricos e hidrosféricos, claves para entender fenómenos metereológicos, como la celularización latitudinal y otros. Es importante señalar que aquí seguimos considerando que la emisión es homogénea y el cuerpo receptor es una esfera perfecta y obtenemos un sistema metereológico todavía bastante simétrico, y por lo tanto no real.

En una tercer momento y punto añadimos consideraciones ya puramente geográficas, pero de nuevo de la manera más abstracta posible, no vinculadas necesariamente a la tierra, sino aplicables a cualquier sistema meteoclimático, y que nos permiten obtener sistemas meteorológicos realistas. Por ejemplo las variaciones  en la forma del receptor (en base a diferentes distribuciones de masas terrestres o continentes, diferente topografía o relieve), y en la forma de la emisión (manchas solares etc…). Estas variaciones introducen una serie de asimetrías que son las que observamos  en los sistemas meteoclimáticos reales.

Un último punto (que ni hemos desarrollado ni vamos a desarrollar de momento), debería de incorporar la biosfera y un quinto, que tampoco hemos considerado de momento, la antroposfera. Los efectos de la acción antropogénica son un tema de actualidad y complejo. Primero hay que comprender el resto.

Si ya conoces este tema te lo puedes saltar ya que no hay nada nuevo salvo quizás el orden lógico, autocontenido y casi axiomático de su presentación y su carácter sintético y completo (es decir he incluido partes que, por lo que he visto, no están incluidas en los manuales de climatología). Es decir si quieres ahorrarte horas de consulta en el laberinto de wikipedia y otras fuentes de información, quizás te interese invertir una hora  en la lectura de esta parte.  

Si bien predecir con cierta precisión y a cierta distancia en el tiempo los fenómenos meteorológicos puede ser muy complejo (piense el lector por ejemplo en predecir si lloverá en determinados 1000 m2 del globo terráqueo dentro de 1 millón de años), comprender la dinámica de los sistemas meteoclimáticos, sus causas y efectos físicos es relativamente sencillo (otra cosa es que las explicaciones de estos fenómenos sean evidentes: llegar a comprender algunos de ellos ha costado milenios).

Toda la dinámica meteoclimatologica de la tierra se puede reducir a unas proposiciones  (que describen hechos) muy sencillas (que para ser bien comprendidas no necesitan de una expresión cuantitativa, aunque podrían serlo) de las cuales  se pueden derivar todos los fenómenos más complejos. Creo que el orden de presentación de estos principios que seguimos es el más lógico.

El lector tiene que tener en mente en todo momento que un sistema físico abstracto climatológico incluye dos cuerpos, un cuerpo emisor de luz y un cuerpo receptor de luz.

0. Índice.

Los puntos I y II están prácticamente terminados. El resto están prácticamente por hacer.

I. Proposiciones morfo y geodinámicas del sistema físico climatológico y sus efectos sobre el clima. 

II. Proposiciones relacionadas con cambios / accidentes en los parámetros geodinámicos. 

III. Proposiciones sobre física estática termodinámica relevantes en los sistemas meteoclimáticos. 

IV. Cambios / accidentes termodinámicos. 

V. Asimetrías o accidentes geográficos y clima.

VI. Aplicación: los monzones.

I. Proposiciones morfo y geodinámicas del sistema físico climatológico y sus efectos sobre el clima.

Aquí revisamos una serie de proposiciones sobre los movimientos cíclicos de la tierra que son responsables de los fenómenos climatológicos más aparentes y por lo tanto mejor conocidos: Ciclo Diario, Ciclo Anual, Asimetria o Inversión  Temporal Hemísferica, Ciclo de Estaciones  y Asimetría latitudinal o Zonificación Latitudinal.

–proposición I1. Cuerpo receptor esférico. La  tierra (en abstracto) es un cuerpo más o menos esférico o elíptico, básicamente lo que se llama un esferoide o elipsiode (de momento nos olvidamos del relieve y del achatamiento en los polos), digamos una pseudoesfera. El hecho de que la tierra (y la mayoría de los planetas) sea un esferoide / elipsoide no es trivial para el clima. Todo lo contrario, este hecho combinado con otros es esencial para determinadas propiedades del clima terrestre. Si bien una esfera, desde el punto  de vista puramente geométrico es un cuerpo perfectamente simétrico en el que cada uno de sus puntos es igual a cualquier otro, como veremos en las siguientes proposiciones, en la esfera terrestre hay puntos y líneas más significativos, a los  que se les ha asignado nombres especiales,  que nosotros indicaremos en mayúsculas. A la pseudoesfera que conforma el Planeta Tierra le llamamos ESFERA TERRESTRE. A la esfera que tiene el mismo centro que la Esfera Terrestre pero un radio superior al de esta y, en general mayor al de la distancia entre el cuerpo emisor (Sol) y el cuerpo receptor (la Tierra), arbitrariamente grande, la llamamos ESFERA  CELESTE.

–Proposición I2. Cuerpo emisor esférico con emisión homogénea. Movimiento de rayos de luz en línea recta.  Idem anterior. Esto es un supuesto ideal que se revisará más adelante. Recordamos que según un principio de óptica clásica (que para lo que nos ocupa es suficiente), se puede considerar que los rayos de luz se mueven entre emisor y receptor en linea recta.

–Proposición I3. Asimetría latitudinal de insolación.

Llegamos a un punto clave. Combinando las dos proposiciones anteriores sobre  cuerpo receptor esférico, emisión homogénea, y movimiento de rotación, llegamos al hecho de la asimetría latitudinal de insolación. Esto se explica mejor con una imagen:

 insolacion

Y verbalmente, en función de la zona de la esfera terrestre dónde caigan los rayos de sol (que digamos se mueven en línea recta), la misma cantidad de insolación (emisión homogénea) se va a distribuir sobre mayor o menor superficie (por ser ésta esférica). Allí dónde la misma cantidad de insolación cae en menor superficie (zona intertropical), generará más calor. Allí dónde dónde sea mayor la superficie (los polos) generará menos calor. Esto es así aunque el receptor no realice ningún tipo de movimiento con respecto al emisor. Como veremos, estas asimetrías de insolación son clave para determinados fenómenos metereológicos.

–Proposición I4. Movimiento de rotación del cuerpo receptor. Eje de rotación–>Polos–>Ecuador–>Paralelos–>Trópicos y Círculos polares: el planeta Tierra realiza un movimiento de rotación (gira) sobre si mismo en torno a un eje imaginario o línea que la atraviesa pasando por su centro. A los puntos de intersección de este eje de rotación o línea con la superficie de la esfera de la tierra se le llaman POLOS (norte y sur). Obviamente, estos dos puntos sobre la esfera de la tierra son únicos. Podemos hacer pasar infinitos planos a través de una esfera dada. La intersección de cualquiera  de estos  planos con la superficie de la  esfera será un círculo. A la intersección de los planos que pasan  por el centro de la esfera con la superficie de la esfera se les llama círculos máximos o ecuador de la esfera. Obviamente, una esfera geométrica tiene infinitos círculos máximos o ecuadores. En geografía,  el  ECUADOR  tiene una significado más restringido: es el círculo máximo de la tierra perpendicular  a  la linea imaginaria que atraviesa los POLOS. Obviamente este círculo máximo o ECUADOR de la Tierra es único. De manera similar, extendiendo la linea polar terrestre y proyectando el Ecuador terrestre sobre la Esfera Celeste, podemos definir unos Polos y un Ecuador en la Esfera Celeste, que también serán únicos. Una vez definido el Ecuador, cuya posición no es convencional sino que está determinada por los Polos y estos a  su vez por le eje de rotación de la Tierra se pueden definir sobre la esfera de la Tierra una serie de círculos paralelos, llamados así (paralelos) o círculos latitudinales. Además del Ecuador hay cuatro Paralelos que, por las propiedades que tienen con respecto a la órbita de la Tierra con respecto al sol son notables y tienen nombres especiales: Trópico de Cáncer, Trópico de Capricornio, Círculo Polar Artíco y Círculo Polar Antártico.  En la siguiente proposición veremos por qué son especiales.

El movimiento de rotación del cuerpo receptor (la Tierra) sobre sí mismo frente al cuerpo emisor (el Sol), es el responsable del CICLO DIARIO. Este ciclo existiría incluso aunque la Tierra no efectuase el  movimiento que describimos a continuación.

–proposición I5. Movimiento de Traslación Elíptico del cuerpo receptor en torno al cuerpo emisor; Eclíptica: además del  giro sobre si mismo o movimiento de rotación,  la tierra realiza un movimiento de traslación en torno al Sol. Al trazado que sigue un cuerpo cuando efectúa un movimiento de traslación cerrado en torno a otro se le llama órbita. Desde el punto de vista geométrico se pueden definir infinitas órbitas cerradas entre dos cuerpos, dónde pueden variar tanto la distancia entre los dos cuerpos como la forma de la órbita. Pero por razones de mecánica celeste (leyes de Kepler,  que se pueden derivar de las Ley de Gravitación de Newton) la órbita que sigue  la Tierra en torno al Sol tiene que tener necesariamente forma circular o elíptica. Y quede claro que aquí ya estamos hablando de Física y no sólo de Geometría. Pero volvamos a esta última: entre dos cuerpos cualesquiera se pueden definir infinitas elipsis, pero entre la Tierra y el Sol se da una órbita muy concreta, que aproximadamente (este aproximadamente es clave para el clima; hablaremos más adelante de esto) sigue siempre el mismo trazado: siempre se mueve en el mismo plano y la distancia entre el Sol y la Tierra, aunque varía a lo largo de la  órbita, siempre está  entre unos límites muy concretos (perihelio o punto de la órbita terrestre en el que este se encuentra más cercano al Sol , 147,5 millones de km- afelio o punto de la órbita terrestre en el que este de encuentra más alejado del Sol, 152,6 millones de km). Aún siendo una elipsis, la excentricidad de la órbita elíptica de la Tierra en torno al Sol es bastante baja y por lo tanto se aproxima a una órbita circular. Al plano por dónde transcurre la órbita de la Tierra en torno al Sol, al que llamamos PLANO ORBITAL (y visto desde la tierra es el plano por dónde transcurre el movimiento aparente del Sol en torno a la Tierra) se le llama Plano Eclíptico (ojo, de eclipse, no de elipse). Y a la intersección de este plano con la Esfera Celeste, a la órbita aparente del Sol en torno a la tierra dentro de este plano se le llama ECLÍPTICA.  En la Esfera Celeste se pueden definir unos POLOS ECLÍPTICOS que son los puntos de intersección de una línea que pasa por el centro de la tierra y es perpendicular al plano de la Eclíptica. Obviamente estos polos celestiales son únicos.

Earths orbit and ecliptic

El movimiento de traslación de la Tierra es el responsable del CICLO ANUAL.

–proposición I6. Oblicuidad. Equinoccios y Solsticios.  Es un hecho que los Polos Terrestres no coinciden  con los Polos Eclípticos. O lo que es lo mismo, que el plano del Ecuador Terrestre no coincide con el Plano de la Eclíptica. O dicho de una tercera manera equivalente el Eje de Rotación de la Tierra no es perpendicular a su Plano Orbital. Entre ambos existe una distancia, que medida en unidades angulares es de unos 23ª 4´, es decir 23 grados, 4 minutos. A este angulo o inclinación  del Eje de Rotación con respecto al Plano Orbital se le llama Oblicuidad de la Eclíptica. Como se puede ver en la imagen anterior, en la Esfera Celeste hay otros dos puntos significativos llamados EQUINOCCIO DE PRIMAVERA Y EQUINOCCIO DE OTOÑO. En estos momentos que coinciden con el comienzo  de las estaciones indicadas (20/21 de marzo, 20/21 de septiembre) el Plano Ecuatorial terrestre interseca a la Eclíptica. Desde el punto de vista climático, en estos dos momentos se da precisamente los fenómenos asociados a la INVERSIÓN HEMÍSFERICA TEMPORAL:  el polo norte (respectivamente sur) pasa de la noche de 6 meses al día de 6 meses); el hemisferio norte pasa del invierno  a la primavera (sur del verano al otoño). Se comprenderá mejor lo que sucede si se piensa que en esos momentos el eje de rotación de la tierra no se inclina ni hacía el Sol ni hacía la dirección contraria y de acuerdo con esto,  el día dura exactamente lo  mismo que la noche (12 horas) y el Sol sale exactamente por el Este y se pone exactamente por el Oeste.

Earth lighting equinox

Por otra parte en los  momentos en los que la Eclíptica se encuentra en el punto más cercano al Polo Norte o más al cercano al Polo Sur con respecto al Ecuador son llamados SOLSTICIOS (de verano el 21 de junio o de invierno el 21 de diciembre). En estos dos momentos el eje de rotación de la tierra se inclina hacía el sol en un hemisferio (en la dirección contraria  en el otro). En estos momentos los días son los más largos (respectivamente más cortos) dependiendo del hemisferio. A continuación una imagen que muestra la situación durante el Solsticio de verano (el lector podrá reconstruir la situación en el de invierno.

Insolación durante el solsticio de verano

–Proposición I7.  Zonas climatológicas latitudinales.

En base a la proposición 3, sobre asimetría en la insolación  y a la proposición 4 sobre movimiento  de rotación en torno a un eje (y los puntos y lineas especiales que se derivan de la determinación de un determinado eje, los polos y el ecuador), y a la proposición 6 sobre oblicuidad, podemos definir unas nuevas líneas latitudinales que también son especiales. Es decir no son lineas que dividen la esfera de manera puramente convencional sino que la dividen de manera natural. Primero una imagen ilustrativa.

zonas_insolacion

a) el Trópico de Cáncer (latitud 23º 27´norte). Esta  línea imaginaria delimita los puntos más septentrionales de la esfera terrestre en los que el Sol llega a jugar desde el cénit (la vertical del lugar), lo que ocurre entre el 20 y el 21 de junio de cada año, a lo que se le denomina como solsticio de junio.

Como se ve en la imagen, en el Trópico de Cáncer el rayo cae en angulo recto con respecto a la tangente de la esfera en el punto en el que el que este paralelo toca al círculo. Esto, en los trópicos ocurre un día al año. Como en un día la tierra da una vuelta sobre si misma, durante este día, en todos los puntos del trópico de Cáncer cae el sol en el cénit. inclinacionondapuntostierra

https://es.wikipedia.org/wiki/Sol_cenital

El Analema es una curva cerrada que describe la posición del Sol en el cielo al registrarlo todos los días del año a la misma hora y desde el mismo lugar de observación. En las imágenes siguientes se muestra como se construía esta curva por civilizaciones ya desaparecidas y actualmente (con una cámara fija)

analema-3

analema-tunc-tezel

http://malkun.blogspot.com.es/2010/03/6-la-revelacion-del-sol.html

Una simulación muy ilustrativa que muestra el movimiento  de traslación.

http://astro.unl.edu/classaction/animations/coordsmotion/eclipticsimulator.html

b) el Trópico de Capricornio (idem Sur) es lo mismo que el anterior pero en el hemisferio sur.

En el resto de puntos de la tierra de zonas intertropicales, es decir de la zona que se encuentra entre los dos trópicos, los rayos de sol caerán perpendiculares a la tangente del círculo en ese punto dos días al año, situados de manera simétrica con respecto a los solsticios y equiconoccios. El sol nunca caerá de modo perpendicular más allá de los trópicos. Podrá estar más alto o más bajo, pero nunca caerá perpendicular.

c) el Círculo Polar Ártico (66º 33´Norte) es precisamente el paralelo que delimita el extremo sur del día polar del solsticio de verano y la noche polar del solsticio de invierno. Dentro del círculo ártico, en el día del solsticio de verano el Sol no se pone durante las 24 horas. En el solsticio de invierno el Sol no sale durante las 24 horas.

e) el Círculo Polar Antártico (idem Sur) es lo mismo pero en el hemisferio sur.

En base a estas latitudes notables se pueden definir unas zonas de la esfera terrestre son de la máxima importancia climática, ya que van a tener asimetrías latitudinales en cuanto a la INSOLACIÓN anual recibida y por lo tanto en cuanto a uno de los dos parámetro fundamentales del clima, la temperatura (el ciclo anual es más importante que el diario para definir el clima de una determinada zona). Y, cómo veremos, también estas zonas son relevantes para el otro parámetro fundamental del clima, la humedad, parámetro sobre el que hablaremos más  adelante.

–ZONAS  POLARES. Son las dos situadas más allá de los Círculos Polares. La radiación solar incide de manera oblicua y calienta muy poco.  Por ello en esta zona se alcanzan las mínimas temperaturas.

–ZONA INTERTROPICAL. Es aquella situada entre los dos trópicos. Aquí la radiación solar cae casi de manera  perpendicular  a la superficie y a iguales superficies se acumula más insolación, y por lo tanto la insolación anual es máxima. Pero ojo aunque en esta zona la temperatura anual media es superior a la de las otras dos zonas, no es dónde se alcanzan las máximas temperaturas: las temperaturas máximas de nuestro planeta no se dan en la zona intertropical, sino en las franjas subtropicales, tanto al norte del trópico de Cáncer, como al sur del trópico de Capricornio. Ello se debe a la mayor duración de la insolación durante el solsticio de verano en las zonas templadas, por lo que el calor acumulado puede ser mayor que dentro de la zona intertropical, en la cual los días y las noches duran aproximadamente lo mismo a lo largo de todo el año. Y en segundo lugar, la zona intertropical contiene las mayores cantidades de vegetación y de agua atmosférica (tanto en estado líquido como gaseoso), lo cual sirve de factor regulador de las temperaturas. En esta zona la duración del día es casi constante a lo largo del año y la temperatura es bastante estable (con acusadas variaciones diarias entre día  y noche).

–ZONAS TEMPLADAS.  Son las dos situadas entre los Círculos Polares y los Trópicos.   La radiación incide de manera más oblicua que en la anterior zona y las temperaturas, como su nombre indica son templadas.

En la imagen siguiente se  muestra la zonificación geográfica de manera esquemática.

Zonas Geoastronómicas

–Proposición I6. Tamaño y forma del cuerpo emisor. También son importantes. No vamos desarrollamos este tema, pero entiendo que a mayor tamaño, mayor emisión de luz y por lo tanto el de asimetría zonal se intensificará. Y si la forma del emisor es asimétrica, la emisión de luz será asimétrica y esto también puede afectar sobre todo a la asimetría zonal.

–Proposición I7. Distancia entre emisor y receptor. Idem anterior. A mayor o  menor distancia los efectos de insolación tendrán mayor o menor intensidad. En el punto siguiente veremos cambios en la órbita de la tierra que suponen modificaciones en la distancia.

Cómo  se puede ver fácilmente, la Oblicuidad es la principal responsable de la ESTACIONALIDADCICLO DE ESTACIONES, de la ASIMETRIA ZONAL INTERLATITUDINAL. Y el movimiento  traslación en combinación con la oblicuidad son responsables de la ASIMETRÍA TEMPORAL HEMÍSFERICA O INVERSIÓN ESTACIONAL HEMISFÉRICA.

Un vídeo dónde explican muy claramente la geodinámica y los conceptos asociados.

A modo de ejercicios didáctico, a estas alturas y antes de continuar con los siguientes principios, el lector debería de considerar los siguientes sistemas físicos climatológicos, que son posibilidades alternativas a la realidad que conocemos sobre la Tierra, puramente teóricos y preguntarse cuales son los efectos climatológicos correspondiente en el cuerpo receptor o planeta. En todos los casos tenemos dos cuerpos esféricos, uno emisor de luz (estrella) y otro receptor (planeta) situados a una distancia dada, pero el lector debería de considerar los efectos climatológicos de cambiar la forma esférica o de elipsoide de la tierra.

–Caso 1. Los dos cuerpos fijos (sin movimiento de rotación ni de traslación) situados a una determinada distancia. En el cuerpo receptor tendríamos un lado o cara con día continuo (caliente) y otro con noche continua (frío). No habría ciclo anual ni estaciones ni asimetría o inversión temporal hemisférica, pero si habría asimetría longitudinal. Ojo, este caso, aunque parecido,  no es exactamente el de la Luna con respecto a la Tierra. La luna si que rota.

Caso 2. idem anterior pero con movimiento de rotación en el receptor y oblicuidad nula (aquí podemos definir la oblicuidad de la siguiente manera: tracemos una linea recta desde el centro del emisor al centro del receptor; tracemos el eje de rotación del receptor; si ambos son perpendiculares, entonces la ublicuidad sería nula). ¿ Cómo sería el  clima  en el receptor ?. Habría ciclo diario pero ni ciclo anual, ni estaciones, ni inversión temporal hemisférica. Como todos los puntos recibirían la misma insolación el  clima sería bastante simétrico en todos los puntos del planeta (luego veremos que hay factores termodinámicos que crean asimetría incluso en estas condiciones).

Caso 3. idem anterior, con movimiento de rotación sólo en el receptor y además oblicuidad positiva similar a la de la tierra. En este caso habría ciclo diario (en partes del planeta) pero no anual. No habría estaciones pero sí asimetría hemisférica permanente: un polo con noche permanente y el otro con día permanente.

Caso 4. Movimiento sólo de traslación del receptor con órbita circular. Aquí no habría ciclo diario pero si anual.

Caso 5. Movimiento de traslación con órbita elíptica (de alta excentricidad). Dejamos al lector que desarrolle este punto.

–Caso 6. Movimiento de traslación (elíptico) y de rotación pero con Oblicuidad nula.  Este es el caso del Planeta Mercurio. Dejemos que Wikipedia nos ilustre sobre este caso: If the Earth were “upright” (its axis at right angles to the orbital plane) there would be no Arctic, Antarctic, or Tropics: at the poles the sun would always circle the horizon, and at the equator the sun would always rise due east, pass directly overhead, and set due west. Es decir entre otras cosas, desaparecería las Zonas Geográficas.

–caso 7. Movimiento de traslación y de rotación con oblicuidad positiva. Dejamos al lector que desarrolle este punto.

También es interesante repasar, llegados a este punto, algunos casos reales de planetas, pero diferentes a la Tierra con propiedades geodinámicas interesantes. Téngase en cuenta que todos los conceptos y fenómenos que hemos explicado aquí en abstracto (teniendo en cuenta sólo dos cuerpos, uno emisor y otro receptor), se puede aplicar a cualquier planeta del sistema solar o de cualquier otro sistema planetario, en realidad a cualquier sistema físico climatológico.

–Mercurio: es el planeta con una órbita más cercana al Sol. Tiene oblicuidad prácticamente nula pero una muy acusada excentricidad orbital (la actual es de 0,21 y por lo tanto tiene una órbita muy elíptica; ojo, esto varia, entre 0 y 0,45). Esto hace que se den en este planeta una serie de curiosos fenómenos geodinámicos.

Jupiter: tras Mercurio, es el planeta con menor oblicuidad. Tiene mayor excentricidad que la tierra, pero no es muy elevada. Como resultado de su escasa oblicuidad, no tiene prácticamente ciclo estacional.

Urano: también es un caso interesante ya que su oblicuidad es cercana a los 90º (exactamente 97,77) con una órbita casi circular. El año de Urano es equivalente a 84 años tierra. En torno a los solsticios, un polo está continuamente recibiendo la luz del emisor (el Sol). Obviamente, un polo diferente en cada solsticio. En esos mismos periodos en su Ecuador se puede ver una salida y puesta de sol, con este muy bajo y siguiendo un movimiento muy horizontal. En torno a los equinoccios, las zonas ecuatoriales reciben la luz del emisor y entonces se experimenta Ciclo Diario.

uranus_orbit

Venus. la Oblicuidad es de 170º y por lo tanto el Polo Norte se encuentra dónde el Sur.

II. Proposiciones relacionadas con cambios / accidentes en los parámetros geodinámicos.

En el apartado anterior se han descrito las causas de los fenómenos climáticos cíclicos más aparentes, más conocidos y más estabes : ciclo diario, ciclo anual, estacionalidad, asimetría bilateral latitudinal o hemisférica y zonas geográficas latitudinales.

En este punto vamos a ver como pequeñas variaciones en los parámetros geodinámicos indicados pueden ser causa de modificaciones climáticas. Entendemos por parámetros geodinámicos los que determinan los movimientos de traslación (la órbita) y de rotación.

Nota. Para entender dese un punto de vista matemático los parámetros geodinámicos que determinan la órbita de un cuerpo en torno a otro recomendamos la  lectura de este artículo de wikipedia, del cual extraemos lo siguiente: 

The main two elements that define the shape and size of the ellipse:

  • Eccentricity (e)—shape of the ellipse, describing how much it is elongated compared to a circle (not marked in diagram).
  • Semimajor axis (a)—the sum of the periapsis and apoapsis distances divided by two. For circular orbits, the semimajor axis is the distance between the centers of the bodies, not the distance of the bodies from the center of mass.

Two elements define the orientation of the orbital plane in which the ellipse is embedded:

  • Inclination (i)—vertical tilt of the ellipse with respect to the reference plane, measured at the ascending node (where the orbit passes upward through the reference plane, the green angle i in the diagram). Tilt angle is measured perpendicular to line of intersection between orbital plane and reference plane. Any three points on an ellipse will define the ellipse orbital plane. The plane and the ellipse are both two-dimensional objects defined in three-dimensional space.
  • Longitude of the ascending node ( or Ω)—horizontally orients the ascending node of the ellipse (where the orbit passes upward through the reference plane) with respect to the reference frame’s vernal point (the green angle Ω in the diagram).

And finally:

  • Argument of periapsis (ω) defines the orientation of the ellipse in the orbital plane, as an angle measured from the ascending node to the periapsis (the closest point the satellite object comes to the primary object around which it orbits, the blue angle ω in the diagram).
  • True anomaly (ν, θ, or f) at epoch (M0) defines the position of the orbiting body along the ellipse at a specific time (the “epoch”).

elementos-de-una-orbita

Fin de nota. 

Las causas de estos cambios son las interferencias físicas de los otros cuerpos que orbitan al mismo emisor.  Como veremos sus efectos son variados. Y como veremos en la nota al final del punto estos efectos podrían ser en parte responsables de los ciclos de glaciación.

–Proposición II1. Cambios en la Órbita Terrestre 1. Plano de la órbita fijo, linea de ápsides fija con respecto al centro de masas, cambia Excentricidad.

En astronomía, un ápside es el punto de mayor o menor distancia dentro de una órbita elíptica a su centro de atracción, que es generalmente también el centro de masas

En la imagen siguiente los ápsides serían F y H.

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La órbita de la tierra dentro de un mismo plano es más o menos estable, pero a la vez caótica. Esto significa que no podemos esperar conocer con exactitud la posición de la Tierra, dentro del mismo plano, dentro de una cantidad de tiempo considerable. Se sabe que la excentricidad está sujeta a cambios cíclicos en el tiempo, con ciclos de unos 100.000 años.

Los efectos en su modificación son como sigue:

a) efectos en la cantidad de insolación: The relative increase in solar irradiation at closest approach to the Sun (perihelion) compared to the irradiation at the furthest distance (aphelion) is slightly larger than four times the eccentricity.

For Earth’s current orbital eccentricity, incoming solar radiation varies by about 6.8%, while the distance from the Sun currently varies by only 3.4% (5.1 million km). Perihelion presently occurs around January 3, while aphelion is around July 4.

When the orbit is at its most eccentric, the amount of solar radiation at perihelion will be about 23% more than at aphelion. However, the Earth’s eccentricity is always so small that the variation in solar irradiation is a minor factor in seasonal climate variation, compared to axial tilt and even compared to the relative ease of heating the larger land masses of the northern hemisphere.

b) efectos en la duración de las estaciones. Kepler’s second law says that a body in orbit traces equal areas over time; its orbital velocity increases around perihelion and decreases around aphelion. This means that the lengths of the seasons vary; orbital mechanics states that they are proportional to the areas of the seasonal quadrants. When the Earth’s orbit is most eccentric, the Earth’s orbital motion and the lengths of the seasons vary the most.

Currently, autumn and winter in the northern hemisphere occur around perihelion. The Earth is moving at its maximum velocity, and therefore these seasons are slightly shorter than spring and summer. Thus, summer in the northern hemisphere is 4.66 days longer than winter and spring is 2.9 days longer than autumn. When the Earth’s orbit becomes more eccentric, it will spend more time near aphelion and less time near perihelion.

–Proposición II2. Cambios en la Órbita Terrestre 2. Plano fijo, linea de ápsides en rotación con respecto al centro de masas: Precesión Apsidal. 

En el punto anterior hemos examinado los cambios en la órbita de la tierra quedando fijo el plano y la línea de ápsides. Pero resulta que también la misma línea de ápsides rota dentro del mismo plano de la órbita. Esto es lo que se llama la precesión Apsidal.  La rotación completa el ciclo en unos 112.000 años. La explicación de este fenómeno con respecto a mercurio es lo que encumbró a Einstein.

precesion-apsidal

Efectos sobre el clima.

–Proposición II3. Cambios orbitales 3: órbita fija, linea ábsidal fija, se modifica el ángulo del plano de la órbita con respecto al plano de la  eclíptica: Inclinación / Precesión de la Eclíptica.

–Proposición II4. Cambios Axiales 1: Oblicuidad.

Reseñamos lo que indica wikipedia: The main long-term cycle causes the axial tilt to fluctuate between about 22.1° and 24.5° with a period of 41,000 years. Currently, the average value of the tilt is decreasing by about 0.47″ per year.

Los efectos de este cambio son:

a) Cambios en la superficie de las zonas latitudinales.

As a result (approximately, and on average) the Tropical Circles are drifting towards the equator (and the Polar Circles towards the poles) by 15 metres per year, and the area of the Tropics is decreasing by 1100 square km per year.

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Circles_of_latitudehttp://en.wikipedia.org/wiki/Milutin_Milankovi%C4%87

b) Cambios en la amplitud térmica durante las estaciones.

When the obliquity increases, the amplitude of the seasonal cycle ininsolation increases, with summers in both hemispheres receiving more radiative flux from the Sun, and winters less. Conversely, when the obliquity decreases, summers receive less insolation and winters more.

But these changes of opposite sign in summer and winter are not of the same magnitude everywhere on the Earth’s surface. At high latitude the annual mean insolation increases with increasing obliquity, while lower latitudes experience a reduction in insolation. Cooler summers are suspected of encouraging the onset of an ice age by melting less of the previous winter’s precipitation. Because most of the planet’s snow and ice lies at high latitude, it can be argued that lower obliquity favors ice ages for two reasons: the reduction in overall summer insolation and the additional reduction in mean insolation at high latitude.

–proposición II5 Cambios axiales 2, en la Orientación o Dirección Axial: Precesión Axial.

El fenómeno de la precesión axial no es más que un cambio gradual cíclico en la orientación del eje de rotación de la tierra debido a efectos gravitatorios del Sol y de la Luna. Este cambio es continuo en la dirección contraria a la de rotación de la tierra y cíclico. El ciclo se completa, aproximadamente cada 26.000 años. Téngase en cuenta que este cambio en la Orientación es independiente del cambio en la Oblicuidad: puede cambiar la orientación manteniéndose constante la Oblicuidad. El movimiento debido a  la precesión se completa en un ciclo de 25.800 años tierra.

Precesión de la tierra

El efecto  es asimetrías entre el  hemisferio norte y sur: las estaciones van a ser más extremas (más calor, más frío) en uno u otro hemisferio en función del momento del ciclo. Ahora son más acusadas en el hemisferio sur.

Currently, perihelion occurs during the southern hemisphere’s summer. This means that solar radiation due to (1) axial tilt aiming the southern hemisphere toward the Sun and (2) the Earth’s proximity to the sun, both reach maximum during the summer and both reach minimum during the winter. Their effects on heating are additive, which means that the southern hemisphere’s seasons are relatively more extreme. In the northern hemisphere, these two factors reach maximum at opposite times of the year: The north is tilted toward the Sun when the Earth is furthest from the Sun. The two forces work in opposite directions, resulting in less extreme seasons.

In about 13,000 years, the north pole will be tilted toward the Sun when the Earth is at perihelion. Axial tilt and orbital eccentricity will both contribute their maximum increase in solar radiation during the northern hemisphere’s summer. Seasons will be more extreme in the northern hemisphere and less extreme in the south.

When the Earth’s axis is aligned such that aphelion and perihelion occur near the equinoxes, axial tilt will not be aligned with or against eccentricity, and they will not make summer or winter more or less extreme.

Relacionado con la precesión axial tenemos el fenómeno del Bamboleo de Chandler.

–Proposición II6. Oscilaciones en la magnitud de la Oblicuidad. Nutación.

La Nutación son pequeñas oscilaciones en el valor medio de la Oblicuidad. Cómo se ve en la figura si la precesión axial supone un movimiento continuo en una misma dirección, la Nutación supone pequeños movimientos más o menos perpendiculares a la dirección de la Nutación. Tiene un ciclo de 18,6 años.

Precesión y nutación.

–Proposición II7. Movimiento Polar (Polar Motion). Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Polar_motion

Pendiente de completar.

Nota. Algunos de los cambios cíclicos (excentricidad, oblicuidad y precesión axial) en este punto se agrupan habitualmente bajo un mismo epígrafe, titulado Ciclos de Milankovitch.

Realmente este investigador propuso una teoría que vinculaba estos ciclos con los ciclos de glaciación. En el momento de redactar la entrada (en 2013) intenté averiguar si estaba completamente aceptada, sin llegar a conclusiones ciertas. En esta nota incluimos algunos enlaces debates interesantes que  encontré sobre este tema.

http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles

–Orbital Forcing. http://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_forcing;

–VOPS http://en.wikipedia.org/wiki/VSOP_(planets)

ε is obliquity (axial tilt). e is eccentricity. ϖ is longitude of perihelion. esin(ϖ) is the precession index, which together with obliquity, controls the seasonal cycle of insolation. \overline{Q}^{\mathrm{day}} is the calculated daily-averaged insolation at the top of the atmosphere, on the day of the summer solstice at 65 N latitude. Benthic forams and Vostok ice core show two distinct proxies for past global sealevel and temperature, from ocean sediment and Antarctic ice respectively. Vertical gray line is current conditions, at 2 ky A.D.

Milankovitch Cycles

–El paper de Hay, Imbries y Shackelton titulado Variations on the Earth´s  Orbit: pacemaker of the Ice Ages demostró  que la teoría de los ciclos de Milankovitch era correcta.

–La opinión actual sobe si los ciclos de Milankovitch explican los periodos glaciales no está clara: http://es.wikipedia.org/wiki/Variaciones_orbitales#Los_problemas_de_la_Teor.C3.ADa_de_Milankovitch.

Fin de nota.

III. Proposiciones sobre física estática termodinámica relevantes en los sistemas meteoclimáticos.

Aquí repasamos una serie de proposiciones que se aplican independientemente de que una planeta tenga agua o no.

–proposición III1. Calor y presión. En un sistema con volumen fijo al aplicar calor a la materia aumenta la presión.

–proposición III2. Diferencias en calor específico. unas composiciones materiales se calientan y enfrían antes que otras.  En particular la tierra se calienta y enfría antes que el agua.

–proposición III3. Diferencias de presión y transferencia de masa. la materia siempre se dirige de zonas de mayor presión a zonas de menor presión.

proposición III4. Fuerza de  Coriolis. la materia en un sistema en rotación sufre un desplazamiento en dirección contraria a la de rotación.

–Proposición III5. Los efectos de la gravedad en gases: gradiente térmico vertical o adiabático (lapse rate).

https://en.wikipedia.org/wiki/Lapse_rate

Resumiendo y simplificando mucho, del hecho de la zonificación latitudinal y del hecho de la zonificación vertical de la atmósfera se derivan asimetrías en el calentamiento de la atmósfera en las diferentes zonas.  Y los mismo se puede decir para la hidrósfera (cosa que no siempre se tiene en cuenta). Para equilibrar estas asimetrías se inician una serie de movimientos atmosféricos que siguen los principios termodinámicos descritos anteriormente. Como el desequilibrio  se renueva cada día, cada día se ponen en marcha las fuerzas que intentan equilibrar el sistema. Esto explica que los fenómenos climatológicos como la celularización y la circulación atmosférica  sean constantes.

Para más detalle se puede ver las siguientes entradas de wikipedia.

http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_circulation,

http://es.wikipedia.org/wiki/Dinámica_atmosférica

IV. Cambios / accidentes termodinámicos.

Los principios termodinámicos son invariables. Pero cambios que modifiquen en las asimetrías de zonas longitudinales pueden tener efectos climatológicos alterando durante más o menos tiempo la forma en la que se manifiestan los fenómenos de celularización, circulación atmosférica y otros. Por ejemplo modificaciones en la emisión desde el cuerpo emisor. Estos cambios accidentales tienen efectos de más corto plazo, y más o menos extremos. Afectan a nuestra vida cotidiana (es lo que llamamos tiempo) y son objeto frecuente de conversación, a veces de manera trivial y a veces de manera dramática: algunas de las catástrofes naturales tienen su origen en estos cambios.

V. Asimetrías o accidentes geográficos y clima.

Hasta aquí hemos considerado que los cuerpos sujetos a fenómenos climáticos eran una esfera receptora, que ocupaba una determinada posición con respecto a otro cuerpo (de naturaleza indeterminada) emisor de luz. El cuerpo receptor tiene una determinada forma (no necesariamente esférica), estaba sujeto a determinados movimientos (traslación y rotación). Dicha forma, movimientos e inclinación podían sufrir modificaciones a lo largo del tiempo más o menos graduales y cíclicos y tanto los movimientos como sus cambios tenían efectos climáticos en el cuerpo receptor, en general de largo plazo para la percepción humana. Por otra parte la luz recibida al estar distribuida de manera asimétrica, debido a efectos termodinámicos generaba una serie de movimientos continuos en las masas atmosféricas.

Si sólo tuviésemos en cuenta los principios que hemos visto en los puntos anteriores, obtendríamos un clima asimétrico latitudinalmente, con variaciones diarias, anuales y estacionales pero dentro de cada zona latitudinal el clima sería bastante homogéneo, simétrico, cualquier punto será, climatológicamente hablando, equivalente a cualquier otro, con ciertas oscilaciones debidas a los accidentes termodinámicos.  Esto no es lo que observamos en la realidad: en cada banda latitudinal (zona polar, zona tropical etc…) observamos múltiples variaciones que van más allá de las oscilaciones permitidas por los accidentes termodinámicos.

Por ello en este punto queremos acercarnos un poco más a la realidad e introducir una serie de factores geográficos, cómo:

–la materia o composición de la tierra.

–la existencia de masas de la superficie de la tierra terrestres con diferentes composiciones y en diferente estado físico, sólido o líquido.

–la distribución de las masas sólidas (digamos continentes), en sus diferentes estados, dentro de la esfera terrestre, en las diferentes zonas latitudinales.

–la topografía (relieve) de la masa sólida: los pisos térmicos (https://es.wikipedia.org/wiki/Pisos_t%C3%A9rmicos)

que también afectan al  clima de un planeta y explican las variaciones observadas en las zonas latitudinales.

–Proposición V1. La composición de la Tierra (Planeta, Hidrósfera, Biosfera, Atmósfera)

http://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements

–Proposición V3. La atmósfera.

–Proposición V4. La hidrósfera. 

Imagen ciclo del agua. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ciclo-del-agua.jpg

–Proposición V2. La distribución de las masas sólidas (continentes) en la esfera terrestre. Deriva continental.

–Proposición V4. El relieve.

–Pisos térmicos. https://es.wikipedia.org/wiki/Pisos_t%C3%A9rmicos

-El efecto de masa terrestres elevadas sobre la clularizción y circulación.

–Proposición V5. La acción Biogénica. Biosfera. 

–Proposición V6. La acción Antropogénica. Antropoesfera. 

De estos principios tan sencillos detallados en los cinco puntos anteriores, combinados de una u otra manera, se derivan todos los fenómenos climatologicos conocidos: ciclo diario de aproximadamente 24 horas; ausencia de ciclo estacional en el entorno del ecuador, las cuatro estaciones y el peculiar clima de los polos;  la celularización atmosférica latitudinal, los vientos del este en determinadas latitudes y los vientos del  oeste en otras; y asimetrías o variaciones locales dentro de las zonas latitudinales.

¿ Podemos, con estos elementos  explicar los monzones y sus cambios  ?. Esta es la pregunta que ha motivado la redacción de esta entrada. Lo vemos en el  punto siguiente.

VI. Aplicación: los monzones.

Entre los fenómenos climatologicos que los principios indicados explican se encuentra el fenómeno de los monzones, cuyo intento de comprensión por parte del autor de esta entrada ha sido lo que ha motivado su redacción.

Inicialmente se pensaba era exclusivo del Índico, pero luego se ha visto que se da allí dónde se dan las condiciones. Por todo lo señalado el lector ya tendrá claro que el clima es un fenómeno físico altamente complejo y que la regla en todos los fenómenos climatológicos es el cambio continuo. Los monzones no han sido la excepción: el fenómeno ha variado a lo largo del tiempo.

A veces (y esto puede durar años, siglos e incluso milenios) las corrientes y vientos que provocan los monzones fluyen en un arco situado más al norte y a veces más al sur. Las fases húmedas y secas del Sur de Arabia, sureste de Irán) y oeste de la India han dependido de este fenómeno.

Como las piezas de cualquier sistema artificial (por ejemplo un motor), las sociedades humanas tienen unas tolerancias dentro de las cuales pueden mantenerse en el  tiempo más o menos iguales a si mismas. Cuando los factores estresantes superan estos límites de tolerancia, tienen que cambiar y adaptarse a las nuevas condiciones.

Los cambios en los monzones han supuesto un importante factor de estrés y cada vez está más claro que ha sido una variable independiente que explica en parte cambios históricos en las regiones que los han sufrido.

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