Este capítulo se centra en la temperatura del aire, es decir, la temperatura del aire observada a 1,2 m (4 pies) por encima de la superficie del suelo. La temperatura del aire condiciona muchos aspectos de la vida humana, desde la ropa que llevamos hasta el coste del combustible que pagamos. La temperatura del aire y los ciclos de temperatura del aire también actúan para seleccionar las plantas y los animales que componen el paisaje biológico de una región. Y la temperatura del aire, junto con las precipitaciones, es un determinante clave del clima, en el que profundizaremos en el capítulo 7.
Cinco factores importantes influyen en la temperatura del aire:
- Latitud. Los ciclos diarios y anuales de insolación varían sistemáticamente con la latitud, haciendo que las temperaturas del aire y los ciclos de temperatura del aire también varíen. La insolación anual disminuye hacia los polos, por lo que hay menos energía disponible para calentar el aire. Pero debido a que el ciclo estacional de la insolación se hace más fuerte con la latitud, las latitudes altas experimentan un rango mucho mayor en las temperaturas del aire a través del año.
- Tipo de superficie. Las temperaturas del aire en las ciudades son generalmente más altas que en las zonas rurales. Los materiales de la superficie de la ciudad -asfalto, tejas, piedra, ladrillo- retienen poca agua, en comparación con las superficies de suelo húmedo de las zonas rurales y los bosques, por lo que hay poco enfriamiento por evaporación. Los materiales urbanos también son más oscuros y absorben una mayor parte de la energía solar que las superficies cubiertas de vegetación. Lo mismo ocurre con las superficies de suelo árido o rocoso, como las de los desiertos.
- Ubicación costera o interior. Las localidades cercanas al océano experimentan un rango más estrecho de temperaturas del aire que las localidades del interior continental. Como el agua se calienta y se enfría más lentamente que la tierra, las temperaturas del aire sobre el agua son menos extremas que las de la tierra. Cuando el aire fluye del agua a la tierra, un lugar costero sentirá la influencia del agua adyacente.
- Elevación. La temperatura disminuye con la elevación. A gran altura, hay menos atmósfera sobre la superficie, y los gases de efecto invernadero proporcionan una manta aislante menos eficaz. Se pierde más calor de la superficie hacia el espacio. En las cumbres altas, la nieve se acumula y permanece más tiempo. El reducido efecto invernadero también provoca una mayor variación diaria de la temperatura.
- Circulaciones atmosféricas y oceánicas. Las temperaturas locales pueden subir o bajar rápidamente cuando el aire de una región se introduce en otra. Las temperaturas de las regiones costeras pueden verse influidas por las corrientes costeras cálidas o frías. (Investigaremos este factor más a fondo en el capítulo 5.)
Temperatura de la superficie
La temperatura es un concepto familiar. Es una medida del nivel de energía cinética de los átomos de una sustancia, ya sea un gas, un líquido o un sólido. Cuando una sustancia recibe un flujo de energía radiante, como la luz solar, su temperatura aumenta. Del mismo modo, si una sustancia pierde energía, su temperatura desciende. Este flujo de energía entra y sale de una sustancia sólida o líquida en su superficie -por ejemplo, la finísima capa superficial del suelo que en realidad absorbe la radiación solar de onda corta e irradia la radiación de onda larga hacia el espacio.
La temperatura de una superficie está determinada por el equilibrio entre los diversos flujos de energía que la atraviesan. La radiación neta -el equilibrio entre la radiación de onda corta entrante y la radiación de onda larga saliente- produce un flujo de energía radiante que puede calentar o enfriar una superficie. Durante el día, la radiación solar entrante supera normalmente a la radiación de onda larga saliente, por lo que el balance de radiación neta es positivo y la superficie se calienta. La energía fluye a través de la superficie hacia el suelo más frío que hay debajo. Por la noche, la radiación neta es negativa, y el suelo pierde energía a medida que la temperatura de la superficie cae y la superficie irradia energía de onda larga al espacio.
La energía también puede moverse hacia o desde una superficie de otras maneras. La conducción describe el flujo de calor sensible desde una sustancia más caliente a otra más fría a través del contacto directo. Cuando el calor fluye hacia el suelo desde su superficie caliente durante el día, lo hace por conducción. Por la noche, el calor es conducido de vuelta a la superficie más fría del suelo. La transferencia de calor latente también es importante. Cuando el agua se evapora en una superficie, elimina el calor almacenado en el cambio de estado de líquido a vapor, enfriando así la superficie. Cuando el agua se condensa en una superficie, el calor latente se libera, calentando la superficie.
Otra forma de transferencia de energía es la convección, en la que el calor se distribuye en un fluido mediante la mezcla. Si la superficie está en contacto con un fluido, como una superficie de suelo con aire por encima, las corrientes ascendentes y descendentes pueden actuar para calentar o enfriar la superficie.
Temperatura del aire
En contraste con la temperatura de la superficie está la temperatura del aire, que se mide a una altura estándar de 1,2 m (4,0 pies) por encima de la superficie del suelo. La temperatura del aire puede ser muy diferente de la temperatura de la superficie. Cuando camine por un aparcamiento en un día claro de verano, notará que el pavimento está mucho más caliente que el aire contra la parte superior de su cuerpo. En general, las temperaturas del aire por encima de una superficie reflejan las mismas tendencias que las temperaturas de la superficie del suelo, pero es probable que las temperaturas del suelo sean más extremas.
En los Estados Unidos, la temperatura se sigue midiendo e informando ampliamente utilizando la escala Fahrenheit. En este libro, utilizamos la escala de temperatura Celsius, que es el estándar internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua es 0°C y el punto de ebullición es 100°C. Las fórmulas de conversión entre estas dos escalas se indican en la figura 3.4.
Las mediciones de la temperatura del aire se realizan de forma rutinaria en las estaciones meteorológicas. Aunque algunas estaciones meteorológicas informan de las temperaturas cada hora, la mayoría sólo informa de las temperaturas más altas y más bajas registradas durante un período de 24 horas. Estos son los valores más importantes para observar las tendencias de la temperatura a largo plazo.
Las mediciones de temperatura se comunican a los organismos gubernamentales encargados de la previsión meteorológica, como el Servicio Meteorológico de Estados Unidos o el Servicio Meteorológico de Canadá. Estas agencias suelen poner a disposición las estadísticas de temperatura diarias, mensuales y anuales de cada estación utilizando la temperatura máxima, mínima y media diaria. La temperatura media diaria se define como la media de los valores máximos y mínimos diarios. La temperatura media mensual es la media de las temperaturas medias diarias de un mes. Estas estadísticas, junto con otras como la precipitación diaria, se utilizan para describir el clima de la estación y su área circundante.
TEMPERATURAS CERCA DEL SUELO
Las temperaturas del suelo, la superficie y el aire a pocos metros del suelo cambian a lo largo del día (Figura 3.6). La variación diaria de la temperatura es mayor justo por encima de la superficie. La temperatura del aire a la altura estándar es mucho menos variable. En el suelo, el ciclo diario se hace gradualmente menos pronunciado con la profundidad, hasta llegar a un punto en el que las variaciones diarias de temperatura en la superficie no provocan ningún cambio.
CONTRASTES AMBIENTALES: TEMPERATURAS URBANAS Y RURALES
En un día caluroso, los ambientes rurales se sentirán más frescos que los urbanos. En las zonas rurales, el agua es absorbida por las raíces de las plantas y se traslada a las hojas en un proceso llamado transpiración. Esta agua se evapora, enfriando las superficies de las hojas, que a su vez enfrían el aire cercano. Las superficies del suelo están húmedas porque el agua se filtra en el suelo durante las tormentas. Esta agua es arrastrada hacia arriba y se evapora cuando la luz del sol calienta la superficie, produciendo de nuevo un enfriamiento. Nos referimos a los efectos combinados de la transpiración y la evaporación como evapotranspiración.
Hay otras razones por las que las superficies urbanas son más calientes que las rurales. Muchas superficies urbanas son oscuras y absorben la energía solar en lugar de reflejarla. De hecho, el pavimento de asfalto absorbe más del doble de energía solar que la vegetación. La lluvia se escurre por los tejados, las aceras y las calles hacia los sistemas de alcantarillado pluvial. Como las superficies de la ciudad están secas, hay poca evaporación que ayude a bajar las temperaturas. Otro factor importante es el calor residual. En verano, las temperaturas del aire de la ciudad aumentan por el aire acondicionado, que bombea el calor de los edificios y lo libera al aire.
En invierno, el calor de los edificios y estructuras se conduce directamente al entorno urbano.
LA ISLA DE CALOR URBANA
Como resultado de estos efectos, las temperaturas del aire en la región central de una ciudad suelen ser varios grados más cálidas que las de los suburbios y el campo circundantes, como se muestra en la figura 3.8. El esquema de un perfil de temperatura en una zona urbana a última hora de la tarde muestra este efecto. Llamamos a la zona central isla de calor urbana, porque tiene una temperatura significativamente elevada. Se almacena tal cantidad de calor en el suelo durante las horas del día que la isla de calor permanece más caliente que sus alrededores también durante la noche. La imagen térmica infrarroja del distrito central de negocios de Atlanta por la noche demuestra el efecto isla de calor.
El efecto isla de calor urbana tiene importantes consecuencias económicas. Las altas temperaturas exigen más aire acondicionado y más energía eléctrica en verano. El combustible fósil que se quema para generar esta energía aporta CO2 y contaminantes al aire. El aumento de las temperaturas puede provocar la formación de smog, que es insalubre y perjudicial para los materiales. Para reducir estos efectos, muchas ciudades están plantando más vegetación y utilizando superficies más reflectantes, como el hormigón o los materiales brillantes de los tejados, para reflejar la energía solar de vuelta al espacio.
El efecto isla de calor no se aplica necesariamente a las ciudades en climas desérticos. En el desierto, la evapotranspiración de la vegetación de regadío de la ciudad puede, de hecho, mantenerla más fresca que la región árida que la rodea.
Entornos de alta montaña
Hemos visto que la superficie del suelo afecta a la temperatura del aire directamente por encima de ella. Pero, ¿qué ocurre a medida que se viaja a mayores alturas? Por ejemplo, al subir más alto en una montaña, te puede faltar el aire y puedes notar que te quemas más fácilmente con el sol. También sientes que la temperatura baja, a medida que asciendes. Si acampa, verá que la temperatura nocturna es más baja de lo que cabría esperar, incluso teniendo en cuenta que las temperaturas son generalmente más frescas cuanto más se asciende.
¿Qué causa estos efectos? A grandes alturas hay mucho menos aire por encima de ti, por lo que la presión atmosférica es baja. Es más difícil recuperar el aliento simplemente por la menor presión de oxígeno en los pulmones. Y con menos moléculas para dispersar y absorber la luz del Sol, los rayos solares se sienten más fuertes. Hay menos dióxido de carbono y vapor de agua, por lo que se reduce el efecto invernadero. Al haber menos calentamiento, las temperaturas tenderán a bajar aún más por la noche. Más adelante en este capítulo, veremos cómo este patrón de disminución de la temperatura del aire se extiende hacia lo alto de la atmósfera.
La figura 3.10 muestra gráficos de temperatura para cinco estaciones a diferentes alturas en la Cordillera de los Andes en Perú. Las temperaturas medias disminuyen claramente con la elevación, de 16°C (61°F) a nivel del mar a ?1°C (30°F) a 4380 m (14,370 pies). El rango entre las temperaturas máximas y mínimas también aumenta con la elevación, excepto en el caso del Qosqo. Las temperaturas en esta gran ciudad no descienden tanto como cabría esperar debido a su isla de calor urbana.
INVERSIÓN DE LA TEMPERATURA
Hasta aquí, las temperaturas del aire parecen disminuir con la altura. Pero, ¿es esto siempre cierto? Piensa en lo que ocurre en una noche clara y tranquila. La superficie del suelo irradia energía de onda larga hacia el cielo, y la radiación neta se vuelve negativa. La superficie se enfría. Esto significa que el aire cercano a la superficie también se enfría, como vimos en la Figura 3.6. Si la superficie se mantiene fría, se formará una capa de aire más frío sobre el suelo bajo una capa de aire más cálido, como se muestra en la figura 3.11. Esto es una inversión de temperatura.
En una inversión de temperatura, la temperatura del aire cerca del suelo puede caer por debajo del punto de congelación. Esta condición de temperatura se denomina helada mortal -aunque no se forme una helada real- debido a su efecto sobre las plantas sensibles durante la temporada de crecimiento.
Los cultivadores de árboles frutales u otros cultivos utilizan varios métodos para romper una inversión. Se pueden utilizar grandes ventiladores para mezclar el aire frío de la superficie con el aire más cálido de arriba, y a veces se utilizan calentadores de aceite para calentar la capa de aire de la superficie.
ÍNDICES DE TEMPERATURA
La temperatura también se puede utilizar con otros datos meteorológicos y climáticos para producir índices de temperatura, es decir, indicadores del impacto de la temperatura en las condiciones ambientales y humanas. Dos de los índices más conocidos son el índice de sensación térmica y el índice de calor.
El índice de sensación térmica se utiliza para determinar la sensación de frío, basándose no sólo en la temperatura real sino también en la velocidad del viento. El aire es en realidad un muy buen aislante, por lo que cuando el aire está quieto, la temperatura de nuestra piel puede ser muy diferente de la temperatura del entorno. Sin embargo, cuando el aire se mueve por nuestra piel, elimina el calor sensible y latente y lo transporta fuera de nuestro cuerpo. En verano, este proceso nos mantiene frescos, ya que el sudor se evapora y reduce la temperatura de la piel. Durante el invierno, elimina el calor necesario para mantener nuestros cuerpos calientes, enfriando así nuestra piel y haciendo que las condiciones se sientan mucho más frías que la temperatura real medida.
El índice de sensación térmica, que se utiliza en los Estados Unidos y se mide en °F, puede ser muy diferente de la temperatura real (Figura 3.12). Por ejemplo, una temperatura real de 30°F (?1°C) y una velocidad del viento de 30 mi/hr (13,45 m/s) producen una sensación térmica de 15°F (?26°C).
El índice de calor da una indicación de cuánto calor sentimos basándose en la temperatura real y la humedad relativa. La humedad relativa es la que se da en la mayoría de los informes meteorológicos e indica cuánto vapor de agua hay en la atmósfera como porcentaje de la cantidad máxima posible. Una humedad relativa baja indica condiciones atmosféricas relativamente secas, mientras que una humedad relativa alta indica condiciones atmosféricas relativamente húmedas.
¿Por qué la humedad relativa influye en la sensación de calor? Una de las formas en que nuestro cuerpo elimina el exceso de calor es a través de la evaporación del sudor de nuestra piel. Esta evaporación elimina el calor latente, lo que enfría nuestro cuerpo. Sin embargo, cuando la humedad relativa es alta, se produce menos evaporación porque la atmósfera circundante ya está relativamente húmeda, y el efecto de enfriamiento se reduce.
El índice de calor se da en °F y, al igual que la sensación térmica, puede ser muy diferente de la temperatura real (Figura 3.13). Por ejemplo, si la temperatura real es de 32°C y la humedad relativa es del 90%, el índice de calor indica que la temperatura se sentirá como de 50°C, una diferencia de 18°C.