Variación de la altura de la tropopausa con la latitud ¿Por qué se produce?

 De muchos es conocido que la tropopausa es más alta en el ecuador que en las zonas polares. Pero qué razones hay para que su altura no sea uniforme, y más aún, esa variación no es continua: hay escalones y discontinuidades

La tropopausa es la zona o capa de la atmosfera que separa a troposfera de la estratosfera. Realmente es una zona de transición entre ambas capas y es el limite superior/inferior de la troposfera/estratosfera. Su altura varía entre los 8-10 km en los polos y los 16- 18 km en el ecuador. La diferencia de valores entre la tropopausa ecuatorial y polar suele rondar los 7 km.

Nota. Los valores de altitud son aproximados y referidos a los valores medios, y solo sirven como referencia. Diferentes valores pueden ser encontrados en la bibliografía consultada.

Recordar que la troposfera es la capa de la atmosfera donde la temperatura generalmente decrece con la altura. En la tropopausa la temperatura permanece constante. Sobre la tropopausa, o sea en la estratosfera, la temperatura comienza a aumentar por la presencia de ozono y su interacción con la radiación ultravioleta procedente del Sol.

Variación De La Altura De La Tropopausa Con La Latitud ¿por Qué Se Produce?
Perfil térmico de la atmósfera y sus capas. Detalles de las alturas de la tropopausa en las tres regiones aludidas. Fuente: COMET

Existen otras definiciones de la tropopausa por parte de la OMM, o desde el punto de vista de la Vorticidad Potencial, VP, pero estos temas no serán tratados aquí para no alargar el artículo.

La tropopausa no es una capa rígida ya que puede experimentar deformaciones y roturas provenientes de fenómenos que llegan de la troposfera, se comporta como una membrana elástica. Allí donde los movimientos ascendentes y descendentes son importantes, como los que ocurren en los torreones convectivos donde las corrientes intensas ascendentes pueden incluso perforarla. Otros fenómenos (ondas gravitacionales) pueden alterarla. Los ciclones tropicales y extratropicales también modifican puntualmente la altura de la tropopausa. Pero ese otro tema que va dentro de las variaciones locales de la tropopausa.

Los chorros polar y subtropical en ambos hemisferios generan una ruptura o pliegue de la tropopausa, dando lugar a una especie de escalón de forma que la tropopausa deja de tener una continuidad en su altura descendente hacia los polos desde el ecuador.

Pero vayamos a responder la pregunta inicial.

¿Por qué varia la altura o altitud de la tropopausa?

La altura de la tropopausa depende del lugar, y especialmente de la latitud. Si se toman valores promedios se tiene que sobre los polos fríos es del orden de 8-10 km sobre el nivel del mar. Las alturas más elevadas se dan sobre las zonas oceánicas ecuatoriales cálidas del pacífico occidental y en sureste de Asia, durante el monzón, con alturas que oscilan entre los 16-18 km en zonas donde se desarrolla conveción muy profunda o de gran espesor. En latitudes medias, la tropopausa suele estar entre los 12-13 km, o más, y en verano suele estar a mayor altura: hasta unos 16 km.

Vemos pues que, en una primera aproximación el mundo frío, genera una tropopausa más baja, frente al cálido que tiende a elevarla.

Hay varios procesos físicos y meteorológicos que explican dicha variación:

  • Rotación de la Tierra
  • Gravedad
  • Radiativos
  • Procesos meteorológicos: temperatura/presión, humedad, convección y procesos de mezcla.

Los dos últimos son los más importantes.

Variación De La Altura De La Tropopausa Con La Latitud ¿por Qué Se Produce?
Figuras esquemáticas de la altura de la tropopausa: arriba; entre los Polos (8 km en invierno y 10 km en verano) y el ecuador (16 a 18 km), sin tener encuenta los efectos de los chorros o jets; abajo, dos escalones se adivinan en la variación latitudinal y que están asociados a los chorros subtropical (JST) y polar (JP) y las corrientes ascendentes, descendentes, células, etc., de la circulación general atmsférica.

La rotación de la Tierra

La Tierra rota alrededor se su eje y la atmosfera es un fluido. En este sentido la fuerza centrifuga es mayor en el ecuador que en los Polos. El resultado es que la fuerza centrífuga tienda a estirar la atmósfera más en el ecuador que en los polos.

La Tierra no es redonda: la gravedad

En primera instancia está achatada en los polos por lo que la gravedad, g, es mayor allí que en el ecuador. Realmente la Tierra tiene 43.5 km más de diámetro en el ecuador que en los polos. En un estado primigenio la rotación de la Tierra se conformó esa forma achatada de la Tierra por la fuerza centrífuga. La gravedad tiende a comprimir el aire más en los polos que en ecuador, siendo la envoltura atmosférica más achatada en los polos que en las zonas de latitudes más bajas.

Radiación solar: la latitud

Las zonas ecuatoriales reciben más energía solar que las zonas polares. Las primeras poseen temperaturas más cálidas que las segundas, que son más frías. A temperaturas más cálidas, la capacidad de disponer de más humedad aumenta, por dicho motivo hay un aumento de la humedad en latitudes bajas frente a las altas, más secas. Esto se agudiza en las zonas marítimas tropicales.

Este comportamiento hace que las zonas ecuatoriales el aire sea menos denso (aire cálido y húmedo) que el aire polar denso (frío y seco). El aire ecuatorial está menos comprimido que en denso aire polar por lo que su espesor es mayor.

Este imbalance térmico y de humedad tiene otras consecuencias, una de ellas tiene que ver con el siguiente punto, que marca diferencias en la altura de la tropopausa y troposfera.

Procesos meteorológicos

En las zonas ecuatoriales la radiación solar es máxima, de forma que el aire es más caído y húmedo que en la regiones polares que es frío y seco, como se indicó antes.

En las zonas ecuatoriales el aire cálido y húmedo (poco denso) se ve obligado a ascender en zonas determinadas de forma que comienzan a aparecer fuertes corrientes ascendentes para generar convección y tormentas. En dichos ascensos y por procesos de mezcla y liberación de calor latente, el aire ambiental se humidifica y calienta por transporte a la vez que se condensa generando lluvia. En ese proceso de formación de gotas de agua desde el vapor de agua, se libera una cantidad ingente de calor almacenado en aire ascendente (cálido y muy húmedo).

Todo este proceso hace que la presión en superficie sea baja. Por otra parte, el ascenso inicial recibe una fuente más de calor por la condensación de vapor que posteriormente podría dar lugar a la formación de partículas sólidas. En este proceso continuo las corrientes ascendentes aumentan llevando consigo la altura de la tropopausa hacia arriba, hasta los 18 km o más. Ocasionalmente los torreones convectivos superiores pueden perforarla y pasar a la estratosfera.

Variación De La Altura De La Tropopausa Con La Latitud ¿por Qué Se Produce?
Representación esquemática de la tropopausa tropical, la convección y el transporte vertical en el trópico, y el perfil de temperatura media. COMET

El aire calido y húmedo, las corrientes ascendentes, la liberación de calor latente, los procesos de mezcla hacen el aire más liviano, menos denso y, frente a una gravedad más baja y con un efecto de la fuerza centrifuga más elevada hacen que la tropopausa ecuatorial sea muy elevada, respecto a la de otras latitudes más altas.

El proceso contrario ocurre en los polos: aire seco, frío y denso, en condiciones de estabilidad y ausencia de mezcla, tiende a comprimirse hacia la superficie de la Tierra, en un entorno de gravedad más intenso y en ausencia de una fuerza centrifuga efectiva, aunque estos dos efectos son de menor peso.

En latitudes medias ocurren procesos intermedios: el aire es templado, algo húmedo, se dan procesos de mezcla y hay corrientes ascendentes y descendentes que globalmente tienden a mantener una altura de la tropopausa en valores intermedios.

Vemos que los procesos termodinámicos combinados son fundamentales para generar esta variación de la tropopausa con la altura. La gravedad y la fuerza centrifuga tienen poco peso en dichas variaciones.

Hay que hacer notar que la altura de la tropopausa en un lugar varía con las estaciones y con los patrones de tiempo que afectan a dicho lugar. Aquí se ha analizado cualitativamente los valores medios. No se ha entrado en valorar y definir los dos niveles de la tropopausa: el primer y el segundo nivel.

Francisco Martín León, meteorólogo

Esta entrada se publicó en Reportajes en 17 Ene 2018 por Francisco Martín León