¿Qué causa el tiempo?

Bombay recibe 2502 mm de lluvia en un año medio, y casi toda cae entre junio y septiembre. Riad, algo más lejos del ecuador, recibe 100 mm. En Singapur llueve todos los meses, y en Londres llueve a menudo, de forma ligera, todo el año. Las cuatro diferencias nacen del mismo pequeño conjunto de causas: el sol calienta la Tierra de forma desigual, el aire se mueve para compensarlo y el vapor de agua transporta y libera energía por el camino. Esta guía repasa esas causas con ciudades de nuestras guías de ciudades.

1. El sol calienta el planeta de forma desigual

Según la NASA, de media en todo el globo y a lo largo de todo el año, llegan unos 340 vatios de luz solar a cada metro cuadrado del tope de la atmósfera. Esa media esconde grandes diferencias. Con la constante solar (1361 W/m²) y la inclinación de 23,44° del eje terrestre, la media anual es de unos 416 W/m² en el ecuador, 365 a 30°, 236 a 60° y 172 en los polos. El ecuador recibe unas 2,4 veces más luz solar que los polos.

Ejemplo práctico: por qué un sol bajo calienta menos

Al mediodía de los equinoccios, el sol está en el cenit sobre el ecuador. En Londres (51,5° N) está a 38,5° sobre el horizonte, y el mismo haz de luz cae sobre una superficie mayor:

1. Factor de superficie = 1 ÷ cos(51,5°) = 1,61.
2. Energía por metro cuadrado = 1 ÷ 1,61 = 0,62, es decir, el 62 % del valor con el sol en el cenit, antes de que la atmósfera absorba nada.
3. En invierno el sol está aún más bajo y los días son más cortos, así que la diferencia crece.

Las mediciones por satélite de la NASA muestran lo que esto supone para el balance de energía. Los trópicos absorben más energía de la que devuelven al espacio, y las regiones polares pierden más de la que absorben. Si nada moviera el calor, los trópicos se calentarían sin parar y los polos se enfriarían cada vez más. En cambio, la atmósfera y los océanos llevan calor hacia los polos de forma continua. El tiempo es la parte visible de ese transporte: vientos, temporales, nubes y lluvia.

2. El vapor de agua es el combustible

La evaporación toma calor de la superficie, y la condensación lo libera en el aire, más arriba. La NASA estima que alrededor de una cuarta parte de la energía solar entrante sale de la superficie de esta forma. Ese calor latente es lo que alimenta las tormentas y los ciclones tropicales.

Ejemplo práctico: la energía de un mes de monzón

1. 1 mm de lluvia sobre 1 km² son 1000 toneladas de agua.
2. Condensar 1 kg de vapor libera unos 2,5 MJ, así que 1000 toneladas liberan 2,5 × 10¹² J, unos 694 MWh.
3. Un mes de monzón con 900 mm de lluvia libera, por tanto, 900 × 694 MWh, unos 625 000 MWh de calor, en el aire sobre cada kilómetro cuadrado.

Como referencia, un mes de julio medio trae a Bombay 920 mm de lluvia.

El aire seco es un 78,08 % nitrógeno, un 20,95 % oxígeno y un 0,93 % argón. El vapor de agua se trata aparte porque varía mucho: desde casi nada en el aire polar o desértico hasta alrededor del 4 % del volumen en el aire tropical húmedo. Esa variación explica buena parte de por qué Singapur y Riad se sienten y se comportan de forma tan distinta.

Casi todo el tiempo atmosférico ocurre en la capa más baja de la atmósfera, la troposfera. La NOAA le da un espesor de unos 6 km sobre los polos y de 18 a 20 km sobre el ecuador. Las nubes de tormenta tropicales tienen mucho más espacio para crecer que las polares.

3. Tres células de circulación y el cinturón de lluvias

Un planeta que gira no puede llevar el calor del ecuador al polo en un único circuito sencillo. Cada hemisferio reparte el trabajo en tres células.

• Célula de Hadley (0–30°): el aire caliente asciende cerca del ecuador, viaja hacia el polo en altura y desciende hacia los 30° de latitud. El flujo de retorno en superficie son los alisios, que la rotación terrestre convierte en vientos del noreste al norte del ecuador y del sureste al sur.
• Célula de Ferrel (30–60°): una célula más débil, de origen mecánico. Sus vientos de superficie son los vientos del oeste, que empujan los sistemas meteorológicos del Atlántico hacia Europa.
• Célula polar (60–90°): el aire frío desciende sobre el polo y sale en forma de vientos polares del este. Se encuentra con los vientos del oeste en el frente polar, donde se forman muchas borrascas.

Donde se encuentran los alisios de ambos hemisferios, el aire cálido y húmedo se ve obligado a subir. Es la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), una franja de chubascos y tormentas que rodea la Tierra cerca del ecuador. Promediada alrededor del globo, es el cinturón más lluvioso del planeta. Sigue al sol hacia el norte y hacia el sur a lo largo del año. El portal climate.gov de la NOAA muestra que su desplazamiento hacia el norte en mayo y junio coincide con el inicio del monzón de verano asiático.

El aire que sube en la ZCIT vuelve a bajar hacia los 30° en los anticiclones subtropicales. Al descender se calienta y se seca, lo que impide la formación de nubes. Los desiertos del Sáhara, Arabia, el suroeste de Estados Unidos y Australia están bajo ese aire descendente.

Bombay (19° N) y Riad (25° N) están separadas por solo seis grados de latitud. En verano, el cinturón de lluvias y los vientos del monzón llegan a Bombay desde el cálido mar Arábigo. Riad sigue bajo aire continental seco y el anticiclón subtropical, y su escasa lluvia cae sobre todo entre noviembre y abril. Singapur, a solo 1° N, nunca está lejos del cinturón de lluvias. Su mes más lluvioso, diciembre, recibe de media 332 mm. Incluso el más seco, febrero, recibe 105 mm. El sol intenso sobre aire húmedo desencadena allí frecuentes tormentas por la tarde y al anochecer.

4. Masas de aire y los frentes que las separan

El aire que permanece días sobre una región grande y uniforme adquiere su temperatura y su humedad. Los meteorólogos clasifican estas masas de aire según su origen: continental (c) o marítima (m), y ártica (A), polar (P) o tropical (T).

Ojo: el aire polar no siempre es seco. El aire polar marítimo del Atlántico Norte trae buena parte de las nubes y la lluvia del noroeste de Europa. Por eso en Londres la lluvia se reparte a lo largo del año en lugar de concentrarse en una estación.

Un frente es el límite entre dos masas de aire. En un frente frío, el aire frío, más denso, avanza por debajo del aire cálido como una cuña y lo levanta bruscamente. El resultado es una banda estrecha de chubascos fuertes, a veces con tormentas, seguida de una caída brusca de la temperatura y de aire más limpio. En un frente cálido, el aire cálido asciende poco a poco por encima del aire frío que se retira. Las nubes se espesan a lo largo de cientos de kilómetros y traen lluvias más continuas y prolongadas. Las borrascas de latitudes medias suelen llevar los dos frentes, enrollados alrededor del centro de bajas presiones. Nuestra guía sobre la presión atmosférica explica por qué el aire que asciende en una borrasca forma nubes y el que desciende en un anticiclón las disipa.

5. Tormentas y rayos

Una tormenta es calor latente en acción. El aire cálido y húmedo asciende, se enfría, se condensa y libera calor. Ese calor lo mantiene más cálido que su entorno y le permite seguir subiendo. En los trópicos, las cimas de las nubes pueden alcanzar el techo de la troposfera, a más de 15 km de altura.

El Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos (NWS) describe cómo se acumula la carga. En la parte media de la nube, entre unos −15 y −25 °C, una fuerte corriente ascendente mantiene una mezcla de gotitas de agua sobreenfriada (líquida por debajo de 0 °C), pequeños cristales de hielo y granizo blando llamado graupel. Cuando los cristales de hielo rebotan contra el graupel en presencia de agua sobreenfriada, se transfiere carga:

• los cristales de hielo, ligeros, se cargan positivamente y suben a la parte alta de la nube y al yunque;
• el graupel, más pesado, se carga negativamente y se acumula en la parte media y baja de la nube.

Cuando la diferencia es suficiente, un rayo la descarga. El Laboratorio Nacional de Tormentas Severas de la NOAA indica que el aire del canal se calienta por encima de 50 000 °F (unos 27 760 °C) en unas millonésimas de segundo. La expansión de ese aire es el trueno. El sonido recorre aproximadamente 1 km cada 3 segundos. La regla de seguridad del NWS es breve: si oyes tronar, refúgiate bajo techo.

6. La geografía local ajusta el resultado

• Montañas: el aire obligado a subir por una ladera de barlovento se enfría y descarga su lluvia. Al otro lado, el aire que desciende se calienta y se seca, y deja una sombra pluviométrica.
• Costas: de día, la tierra se calienta más rápido que el agua, así que en las tardes soleadas sopla una brisa marina hacia el interior, que a menudo se invierte por la noche.
• Altitud: Nairobi está casi en el ecuador, pero a 1795 m, así que sus días son templados más que calurosos.
• Lagos: el aire muy frío que cruza agua abierta y relativamente templada gana humedad y calor. El resultado es la nieve por efecto lago en las orillas de sotavento de los Grandes Lagos.
• Ciudades: el asfalto y los edificios almacenan calor, y las islas de calor urbanas suelen notarse más por la noche.

Algunos de estos contrastes se ven en el tiempo en directo. Fija Dubái, en la costa, y Riad, en el interior, en Mis pines y compáralas una tarde de verano: a una latitud desértica parecida, la humedad en la costa del Golfo suele ser mucho más alta que en el interior seco, y la sensación térmica es distinta en consecuencia.

En resumen

1. Los trópicos reciben unas 2,4 veces más luz solar que los polos, y el tiempo es la forma en que la atmósfera lleva ese excedente de calor hacia los polos.
2. La evaporación almacena energía y la condensación la libera en nubes y tormentas.
3. El aire que asciende en la ZCIT forma el cinturón más lluvioso del planeta. El que desciende cerca de los 30° forma sus grandes desiertos.
4. Las masas de aire adquieren el carácter de su región de origen, y los frentes se forman donde se encuentran. El aire frío avanza por debajo del cálido y el aire cálido se desliza por encima del frío.
5. Montañas, costas, altitud, lagos y ciudades ajustan el resultado a escala local.

A continuación, descubre cómo estos ingredientes se convierten en números en Cómo funciona la predicción del tiempo. Sobre los lugares más lluviosos de la Tierra, lee la temporada de monzones y los países con más lluvia (en inglés). Para los límites extremos de estos procesos, consulta el tiempo más extremo del mundo (en inglés).

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la causa principal del tiempo?

El calentamiento desigual del sol. A lo largo del año, los trópicos reciben unas 2,4 veces más luz solar que los polos y absorben más energía de la que emiten. La atmósfera y los océanos llevan ese excedente hacia los polos sin parar, y los vientos, nubes y tormentas que lo transportan son lo que llamamos tiempo.

¿Por qué llueve tanto cerca del ecuador y es tan seco hacia los 30° de latitud?

Cerca del ecuador convergen los alisios y el aire cálido y húmedo asciende en la Zona de Convergencia Intertropical, formando chubascos y tormentas. Ese aire vuelve a bajar hacia los 30° bajo los anticiclones subtropicales, donde se calienta y se seca. Por eso muchos de los grandes desiertos del mundo están en esas latitudes.

¿Cómo se forma un rayo?

En la parte media de una tormenta, a unos −15 a −25 °C, pequeños cristales de hielo chocan con granizo blando (graupel) en presencia de gotitas de agua sobreenfriada. Los cristales de hielo se cargan positivamente y suben a la parte alta de la nube; el graupel se carga negativamente y queda más abajo. El rayo descarga esa diferencia.

¿En qué se diferencian un frente frío y un frente cálido?

En un frente frío, el aire frío avanza por debajo del aire cálido y lo levanta bruscamente, con una banda estrecha de chubascos fuertes y una caída brusca de la temperatura. En un frente cálido, el aire cálido asciende poco a poco por encima del aire frío, con una amplia zona de nubes que se espesan y lluvia más continua.

Fuentes

1. Climate and Earth's energy budget — NASA Earth Observatory
2. Global atmospheric circulations — NOAA JetStream
3. Annual migration of the tropical rain belt — NOAA Climate.gov
4. Air masses — NOAA JetStream
5. Lightning science: thunderstorm electrification — US National Weather Service
6. Lightning FAQ — NOAA National Severe Storms Laboratory