Por qué sopla el viento: presión, Coriolis y circulación global

En el verano de 1735, en algún punto al oeste de las islas Canarias, un bergantín de madera navegaba hacia el oeste empujado por una brisa constante del este. El viento nunca parecía cambiar de parecer. Era el mismo viento alisio que durante dos siglos había impulsado a los barcos ibéricos, neerlandeses e ingleses a cruzar el Atlántico, la fiable cinta transportadora de la era de la vela. Un capitán podía planear una travesía contando con él porque siempre estaba ahí, siempre soplando más o menos desde el mismo cuadrante, día tras día tras día.

Ese mismo año, en Londres, un abogado cuáquero y filósofo natural aficionado llamado George Hadley se presentó ante la Royal Society y leyó un breve artículo en el que sostenía que aquel viento no era en absoluto un accidente del tiempo. Era, afirmaba, el brazo de superficie de una vasta circulación que envolvía el planeta entero, impulsada por el calor del Sol y curvada por la rotación de la Tierra. La brisa en la popa de aquel solitario bergantín era un hilo visible de una máquina del tamaño de un hemisferio. Entonces, ¿por qué sopla el viento, y por qué sopla donde y como lo hace?

El aire siempre cae por una pendiente de presión

Despojado de complicaciones, el viento es algo sencillo. Es aire que fluye desde los lugares donde la presión es alta hacia los lugares donde la presión es baja. La fuerza que impulsa ese flujo es la fuerza del gradiente de presión, y funciona exactamente igual que el agua que corre cuesta abajo: cuanto más pronunciada es la pendiente, más rápido es el movimiento. Donde dos regiones de la atmósfera tienen solo una pequeña diferencia de presión, el viento es suave. Donde la diferencia es grande y está concentrada en una distancia corta, el viento aúlla.

La siguiente pregunta es de dónde salen en primer lugar esas diferencias de presión, y la respuesta es la luz solar. El Sol calienta la Tierra de forma desigual. El ecuador recibe la luz solar casi de frente a lo largo de todo el año, mientras que los polos reciben los mismos rayos repartidos en un ángulo rasante y sobre un área mucho mayor. El aire calentado cerca de la superficie se expande, de modo que la columna de aire situada sobre un trozo de suelo caliente ocupa más altura y presiona de manera distinta a como lo hace la columna situada sobre un trozo frío. El calentamiento desigual produce una expansión desigual de la columna de aire que se alza sobre cada metro cuadrado de superficie, y la expansión desigual produce las diferencias de presión que el viento intenta luego borrar. El Sol, en efecto, no deja de inclinar la mesa, y el aire no deja de deslizarse por ella.

El giro del planeta curva todo lo que se mueve

Si la presión fuera toda la historia, el viento soplaría en línea recta desde la zona alta hacia la baja y el asunto quedaría zanjado. No es así, y la razón es que la superficie por la que sopla está girando. La Tierra rota hacia el este una vez cada veinticuatro horas, y sobre una esfera en rotación cualquier objeto que se mueva libremente por la superficie parece desviarse de una trayectoria recta. En el hemisferio norte la desviación es hacia la derecha respecto a la dirección del movimiento; en el hemisferio sur es hacia la izquierda.

Esta curvatura aparente es el efecto Coriolis, llamado así por Gaspard-Gustave de Coriolis, el ingeniero y matemático francés que dedujo su formulación matemática en 1835. Dos rasgos del efecto importan para entender el viento. Primero, su intensidad depende de la latitud: es nula en el ecuador y alcanza su máximo en los polos, de modo que un mismo viento apenas nota desviación en los trópicos y una muy fuerte en latitudes altas. Segundo, actúa sobre cualquier cosa en movimiento libre y sostenido a lo largo del planeta, no solo sobre el aire, y por eso también empuja las corrientes oceánicas y las trayectorias de los proyectiles de artillería de largo alcance. Sin el efecto Coriolis el viento correría recto desde la alta presión hacia la baja. Con él, el flujo se retuerce en los grandes patrones curvos que observamos de verdad en la superficie, y el viento alisio que llevaba al imaginado bergantín de Hadley se convierte no en un empuje recto, sino en uno curvado.

El bucle de Hadley y el motor de los trópicos

La aportación de Hadley fue ver el viento tropical como parte de un bucle. En su artículo de 1735 propuso que el intenso calentamiento solar a lo largo del ecuador impulsa un único gran circuito convectivo en cada hemisferio. El aire cálido y húmedo asciende a lo largo del ecuador, sube hasta la cima de la baja atmósfera y se extiende hacia los polos. A medida que viaja se enfría y se vuelve más denso, hasta que en torno a los treinta grados de latitud desciende de nuevo hacia la superficie. Allí gira y fluye de vuelta hacia el ecuador cerca del suelo, y al hacerlo la rotación de la Tierra lo curva hacia el oeste, produciendo los constantes vientos alisios del este que empujaron a los barcos de vela europeos a cruzar el Atlántico.

Este circuito es la célula de Hadley, y es lo más parecido que tiene la atmósfera a una máquina térmica que podrías dibujar en una sola página: entrada de calor en el ecuador, ascenso, flujo hacia los polos en las alturas, descenso en los subtrópicos y una corriente de retorno en la superficie curvada hacia los alisios. Las dos fuerzas de las secciones anteriores se ven en ella a la vez. La fuerza del gradiente de presión eleva y hace circular el aire porque el ecuador es caliente y de baja presión en superficie mientras que los subtrópicos son frescos y de alta presión; la desviación de Coriolis curva el flujo de retorno en superficie hacia el este en lugar de en una corriente recta hacia el norte o el sur. La misma pareja reaparece muy arriba, donde los contrastes de temperatura más acusados cerca de la cima de la baja atmósfera impulsan los vientos más rápidos y concentrados del planeta.

Tres células, tres cinturones de viento

Hadley acertó con los trópicos, pero un único bucle no puede llegar hasta los polos. El cuadro lo completó en 1856 el meteorólogo estadounidense William Ferrel, que añadió dos células más en cada hemisferio. El resultado es el modelo de tres células: la célula de Hadley, que va desde el ecuador hasta unos treinta grados; la célula de Ferrel, desde unos treinta hasta unos sesenta grados; y la célula polar, de sesenta a noventa grados. Las células encajan como engranajes, la rama descendente de una alimenta la rama ascendente de la siguiente, de modo que todo el hemisferio queda recubierto desde el ecuador hasta el polo.

Cada célula imprime un viento característico en la superficie que tiene debajo. Bajo la célula de Hadley soplan los vientos alisios del este. Bajo la célula de Ferrel soplan los vientos predominantes del oeste de las latitudes medias. Bajo la célula polar soplan los vientos polares del este. Estos tres cinturones no son rarezas regionales; son la huella en superficie de la circulación global, y aparecen más o menos en los mismos lugares en todos los océanos y continentes porque la física que los produce es la misma en todas partes. El modelo es una idealización, un diagrama limpio superpuesto sobre un planeta desordenado, pero capta el esqueleto de cómo se mueve el aire alrededor del mundo.

Por qué la latitud decide el clima

Como cada célula produce un viento de superficie particular y un rasgo de presión particular, la circulación de tres células organiza el clima de todo el planeta en bandas que corren paralelas al ecuador. Conocer la latitud de un lugar te dice una cantidad sorprendente de cosas sobre su tiempo antes de saber cualquier otra cosa de él, y la razón es la célula que tiene encima.

Dos bandas lo ilustran con viveza. Alrededor de los treinta grados de latitud, en ambos hemisferios, el aire de la célula de Hadley está descendiendo. El aire que desciende se calienta y se seca al comprimirse, lo que reprime las nubes y las lluvias, y es precisamente a lo largo de estas ramas descendentes donde se ensartan los grandes desiertos del mundo: el Sahara, los desiertos de Arabia, los desiertos del suroeste de Estados Unidos y de Australia, todos agrupados cerca de los treinta grados. Alrededor de los sesenta grados, en cambio, el aire polar frío se encuentra con el aire más cálido de las latitudes medias a lo largo del frente polar, y esta zona de colisión es donde viven las principales trayectorias de tormentas del mundo, que generan el desfile de sistemas de baja presión que da a las latitudes medias su tiempo cambiante y ventoso. Desiertos en los treinta, tormentas en los sesenta: la geografía se desprende de las células.

Los vientos alisios y los predominantes del oeste merecen un momento propio, porque confundirlos es el error más común en toda la geografía atmosférica. Ambos son vientos de superficie, pero pertenecen a células distintas, soplan en direcciones opuestas y construyeron dos mundos marítimos muy diferentes. Los alisios soplan desde el este a través de los trópicos, y los del oeste soplan desde el oeste a través de las latitudes medias. Los barcos de vela explotaron ambos, cabalgando los alisios del este en el trayecto de ida por las latitudes bajas y aprovechando los del oeste para el regreso en latitudes más altas, y por eso las grandes rutas comerciales de la era de la vela trazan enormes bucles en lugar de líneas rectas a través de los océanos.

Corrientes en chorro y los límites de un modelo pulcro

Las células tienen además una contrapartida a gran altura que da forma al tiempo muy por debajo. En los límites entre células, cerca de la cima de la baja atmósfera en la tropopausa, a unos nueve a doce kilómetros de altura, el contraste de temperatura a través del límite es más acusado, y donde los gradientes de temperatura son más pronunciados el viento es más rápido. El resultado son las corrientes en chorro, cintas estrechas de viento del oeste a gran velocidad. El chorro polar corre cerca de los sesenta grados y el chorro subtropical cerca de los treinta grados, y ambos pueden alcanzar velocidades de doscientos a cuatrocientos kilómetros por hora. Dirigen la trayectoria de prácticamente todos los sistemas meteorológicos de las latitudes medias, y por eso los pronosticadores los vigilan tan de cerca.

Dos advertencias mantienen honesto este cuadro. La primera tiene que ver con un mito famoso. El efecto Coriolis curva de verdad los vientos, las corrientes oceánicas y los proyectiles de artillería, pero no decide en qué sentido gira el agua al vaciarse por el desagüe de una bañera o de un inodoro. A la escala de un fregadero el efecto queda completamente anegado por la geometría de la cubeta, la forma del desagüe y cómo se movía el agua cuando llegó. La historia de la bañera sobrevive solo porque la versión de los puntos cardinales resulta memorable, no porque la física se sostenga cuando la reduces a esa escala. La segunda advertencia es más amplia: el modelo de tres células es una idealización, no una fotografía. La atmósfera real está fragmentada por la disposición irregular de tierra y océano, por la migración estacional norte-sur de la Zona de Convergencia Intertropical donde se encuentran los vientos alisios, por los monzones impulsados por las distintas velocidades a las que la tierra y el mar se calientan y se enfrían, y por oscilaciones de un año a otro como El Niño y el Dipolo del Océano Índico, que modulan todo el sistema. Las células son el armazón del que cuelga el tiempo, no su descripción completa.

Ideas clave

El viento es aire que fluye desde la alta presión hacia la baja presión bajo la fuerza del gradiente de presión, que existe porque el Sol calienta la Tierra de forma desigual y el calentamiento desigual expande la columna de aire de manera distinta de un lugar a otro; el planeta en rotación desvía luego ese flujo mediante el efecto Coriolis, hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el sur, nulo en el ecuador y más fuerte en los polos. George Hadley esbozó el bucle tropical en 1735, Gaspard-Gustave de Coriolis dedujo la matemática de la desviación en 1835 y William Ferrel completó el cuadro de tres células en 1856, dando a cada hemisferio una célula de Hadley, una célula de Ferrel y una célula polar que producen los vientos alisios, los predominantes del oeste y los polares del este, con rápidas corrientes en chorro del oeste que corren a lo largo de los límites entre células cerca de la tropopausa. Estas bandas explican por qué los desiertos se agrupan cerca de los treinta grados y las trayectorias de tormentas cerca de los sesenta, por qué los alisios y los del oeste soplan en direcciones opuestas, y por qué la latitud es un predictor tan fuerte del clima; pero el modelo es una idealización que la tierra, el océano, la migrante Zona de Convergencia Intertropical, los monzones y ciclos como El Niño complican todos, y no rige, pese a la leyenda, el remolino de un fregadero que se vacía.