Vórtice polar

Un vórtice circumpolar, o simplemente vórtice polar, es una gran región de aire frío en rotación que rodea las dos regiones polares de la Tierra. Los vórtices polares también existen en otros cuerpos planetarios giratorios de baja oblicuidad. El término vórtice polar se puede utilizar para describir dos fenómenos distintos; el vórtice polar estratosférico y el vórtice polar troposférico. Los vórtices polares estratosféricos y troposféricos giran en la dirección del giro de la Tierra, pero son fenómenos distintos que tienen diferentes tamaños, estructuras, ciclos estacionales e impactos en el clima.

El vórtice polar estratosférico es un área de alta velocidad, vientos ciclónicos que giran alrededor de 15 km a 50 km de altura, hacia el polo de 50 °, y es más fuerte en invierno. Se forma en otoño cuando las temperaturas árticas o antárticas se enfrían rápidamente al comenzar la noche polar. El aumento de la diferencia de temperatura entre el polo y los trópicos provoca fuertes vientos y el efecto Coriolis hace que el vórtice gire. El vórtice polar estratosférico se rompe en primavera cuando termina la noche polar. Un calentamiento estratosférico repentino (SSW) es un evento que ocurre cuando el vórtice estratosférico se descompone durante el invierno y puede tener un impacto significativo en el clima de la superficie.

El vórtice polar troposférico a menudo se define como el área hacia el polo de la corriente en chorro troposférica. El borde hacia el ecuador es de alrededor de 40 ° a 50 °, y se extiende desde la superficie hasta alrededor de 10 km a 15 km. Su ciclo anual difiere del vórtice estratosférico porque el vórtice troposférico existe todo el año, pero es similar al vórtice estratosférico ya que también es más fuerte en invierno cuando las regiones polares son más frías.

El vórtice polar troposférico se describió por primera vez en 1853. Los SSW del vórtice estratosférico se descubrieron en 1952 con observaciones de radiosonda a altitudes superiores a 20 km. El vórtice polar troposférico se mencionó con frecuencia en las noticias y los medios meteorológicos en el frío invierno norteamericano de 2013-2014, popularizando el término como una explicación de las temperaturas muy frías. El vórtice troposférico aumentó en visibilidad pública en 2021 como resultado de las temperaturas extremadamente frías en el centro de los Estados Unidos, y algunas fuentes vinculan sus efectos con el cambio climático.

El agotamiento del ozono ocurre dentro de los vórtices polares, particularmente en el hemisferio sur, alcanzando un agotamiento máximo en la primavera.

Vórtices árticos y antárticos

Hemisferio norte

Cuando el vórtice troposférico del Ártico es fuerte, está bien definido y tiene una forma casi circular, hay un solo vórtice con una corriente en chorro que está bien restringida cerca del frente polar y el aire del Ártico está bien contenido. Cuando el vórtice troposférico del norte se debilita, lo que generalmente ocurre, se romperá en dos o más vórtices más pequeños, el más fuerte de los cuales está cerca de la isla de Baffin, Nunavut, y el otro en el noreste de Siberia. Cuando es muy débil, el flujo de aire del Ártico se vuelve más desorganizado y las masas de aire frío del Ártico pueden empujar hacia el ecuador, trayendo consigo una caída de temperatura rápida y brusca.

Una congelación profunda que se apoderó de gran parte de los Estados Unidos y Canadá a fines de enero de 2019 se atribuyó a un "vórtice polar". Este no es el uso científicamente correcto del término vórtice polar, sino que se refiere a los brotes de aire frío del Ártico causados ​​por un vórtice polar debilitado. El Servicio Nacional de Meteorología de EE. UU. advirtió que la congelación es posible en solo 10 minutos de estar afuera en temperaturas tan extremas, y cientos de escuelas, colegios y universidades en las áreas afectadas fueron cerradas. Alrededor de 21 personas murieron en los EE. UU. debido a la congelación severa.Los estados dentro de la región del medio oeste de los Estados Unidos tuvieron vientos helados justo por encima de -50 °F (-45 °C). También se cree que el vórtice polar tuvo efectos en Europa. Por ejemplo, las inundaciones invernales de 2013-14 en el Reino Unido se atribuyeron al vórtice polar que provocó un frío intenso en los Estados Unidos y Canadá. Del mismo modo, el frío severo en el Reino Unido en los inviernos de 2009/10 y 2010/11 también se atribuyó al vórtice polar.

Hemisferio sur

El vórtice antártico del hemisferio sur es una única zona de baja presión que se encuentra cerca del borde de la plataforma de hielo de Ross, cerca de 160 de longitud oeste. Cuando el vórtice polar es fuerte, los vientos del oeste de latitudes medias (vientos en la superficie entre 30° y 60° de latitud del oeste) aumentan en fuerza y ​​son persistentes. Cuando el vórtice polar es débil, las zonas de alta presión de las latitudes medias pueden empujar hacia los polos, moviendo el vórtice polar, la corriente en chorro y el frente polar hacia el ecuador. Se ve que la corriente en chorro se "dobla" y se desvía hacia el sur. Esto hace que el aire frío y seco entre en contacto rápidamente con el aire cálido y húmedo de las latitudes medias, lo que da como resultado un cambio de clima rápido y dramático conocido como "ola de frío".

En Australia, el vórtice polar, conocido allí como "explosión polar" o "zambullida polar", es un frente frío que arrastra aire de la Antártida y trae aguaceros, nieve (normalmente tierra adentro, con ventiscas en las tierras altas), ráfagas de hielo vientos y granizo en las partes sureste del país, como en Victoria, Tasmania, la costa sureste de Australia del Sur y la mitad sur de Nueva Gales del Sur (pero solo en el lado de barlovento de la Gran Cordillera Divisoria, mientras que el el lado de sotavento se verá afectado por los vientos foehn).

Identificación

Las bases de los dos vórtices polares se encuentran en la troposfera media y superior y se extienden hasta la estratosfera. Debajo se encuentra una gran masa de aire frío y denso del Ártico. La interfaz entre la masa de aire frío y seco del polo y la masa de aire cálido y húmedo más al sur define la ubicación del frente polar. El frente polar está centrado, aproximadamente a 60° de latitud. Un vórtice polar se fortalece en invierno y se debilita en verano debido a su dependencia de la diferencia de temperatura entre el ecuador y los polos.

Los ciclones polares son zonas de baja presión incrustadas dentro de las masas de aire polares y existen durante todo el año. El vórtice polar estratosférico se desarrolla en latitudes por encima de la corriente en chorro subtropical. Horizontalmente, la mayoría de los vórtices polares tienen un radio de menos de 1000 kilómetros (620 mi). Dado que existen vórtices polares desde la estratosfera hacia abajo hasta la troposfera media, se utilizan una variedad de alturas/niveles de presión para marcar su posición. La superficie de presión de 50 hPa se usa con mayor frecuencia para identificar su ubicación estratosférica. Al nivel de la tropopausa, la extensión de los contornos cerrados de temperatura potencial se puede utilizar para determinar su fuerza. Otros han utilizado niveles de presión de hasta 500 hPa (alrededor de 5460 metros (17 910 pies) sobre el nivel del mar durante el invierno) para identificar el vórtice polar.

Duración y fuerza

Los vórtices polares son más débiles durante el verano y más fuertes durante el invierno. Los ciclones extratropicales que migran a latitudes más altas cuando el vórtice polar es débil pueden interrumpir el vórtice único creando vórtices más pequeños (mínimos de núcleo frío) dentro de la masa de aire polar. Esos vórtices individuales pueden persistir durante más de un mes.

Las erupciones volcánicas en los trópicos pueden provocar un vórtice polar más fuerte durante el invierno hasta dos años después. La fuerza y ​​la posición del vórtice polar dan forma al patrón de flujo en un área amplia a su alrededor. Un índice que se utiliza en el hemisferio norte para medir su magnitud es la oscilación del Ártico.

Cuando el vórtice ártico está en su punto más fuerte, hay un solo vórtice, pero normalmente, el vórtice ártico tiene una forma alargada, con dos centros de ciclones, uno sobre la isla de Baffin en Canadá y el otro sobre el noreste de Siberia. Cuando el patrón del Ártico está en su punto más débil, las masas de aire subtropicales pueden invadir los polos y hacer que las masas de aire del Ártico se muevan hacia el ecuador, como ocurrió durante el brote del Ártico en el invierno de 1985.El vórtice polar antártico es más pronunciado y persistente que el ártico. En el Ártico, la distribución de masas de tierra en latitudes altas en el hemisferio norte da lugar a ondas de Rossby que contribuyen a la ruptura del vórtice polar, mientras que en el hemisferio sur el vórtice está menos perturbado. La ruptura del vórtice polar es un evento extremo conocido como calentamiento estratosférico repentino, aquí el vórtice se rompe por completo y puede ocurrir un calentamiento asociado de 30 a 50 ° C (54 a 90 ° F) durante unos pocos días.

El aumento y disminución del vórtice polar es impulsado por el movimiento de masa y la transferencia de calor en la región polar. En otoño, los vientos circumpolares aumentan de velocidad y el vórtice polar se eleva hacia la estratosfera. El resultado es que el aire polar forma una masa de aire giratoria coherente: el vórtice polar. A medida que se acerca el invierno, el núcleo del vórtice se enfría, los vientos disminuyen y la energía del vórtice disminuye. Una vez que se acercan finales del invierno y principios de la primavera, el vórtice es más débil. Como resultado, a fines del invierno, grandes fragmentos del aire del vórtice pueden desviarse hacia latitudes más bajas debido a sistemas meteorológicos más fuertes que se entrometen desde esas latitudes. En el nivel más bajo de la estratosfera, permanecen fuertes gradientes de vorticidad potencial,

La ruptura del vórtice polar norte se produce entre mediados de marzo y mediados de mayo. Este evento significa la transición del invierno a la primavera y tiene impactos en el ciclo hidrológico, las estaciones de crecimiento de la vegetación y la productividad general del ecosistema. El momento de la transición también influye en los cambios en el hielo marino, el ozono, la temperatura del aire y la nubosidad. Se han producido episodios tempranos y tardíos de ruptura polar, debido a variaciones en la estructura del flujo estratosférico y la propagación ascendente de ondas planetarias desde la troposfera. Como resultado del aumento de las olas en el vórtice, el vórtice experimenta un calentamiento más rápido de lo normal, lo que da como resultado una ruptura y un resorte más tempranos. Cuando la ruptura llega temprano, se caracteriza porcon persistentes restos del vórtice. Cuando la ruptura es tardía, los restos se disipan rápidamente. Cuando la ruptura es temprana, hay un período de calentamiento desde finales de febrero hasta mediados de marzo. Cuando la ruptura es tardía, hay dos períodos de calentamiento, uno en enero y otro en marzo. La temperatura media zonal, el viento y la altura geopotencial ejercen desviaciones variables de sus valores normales antes y después de las rupturas tempranas, mientras que las desviaciones permanecen constantes antes y después de las rupturas tardías. Los científicos están conectando un retraso en la ruptura del vórtice ártico con una reducción de las actividades de las ondas planetarias, pocos eventos de calentamiento repentino estratosférico y agotamiento del ozono.

Los eventos de calentamiento estratosférico repentinos están asociados con vórtices polares más débiles. Este calentamiento del aire estratosférico puede revertir la circulación en el vórtice polar ártico de sentido contrario a las agujas del reloj a sentido de las agujas del reloj. Estos cambios en lo alto fuerzan cambios en la troposfera debajo.Un ejemplo de un efecto sobre la troposfera es el cambio en la velocidad del patrón de circulación del Océano Atlántico. Un punto débil justo al sur de Groenlandia es donde ocurre el paso inicial del afloramiento, apodado el "Talón de Aquiles del Atlántico Norte". Pequeñas cantidades de calor o enfriamiento que viajan desde el vórtice polar pueden desencadenar o retrasar el hundimiento, alterando la Corriente del Golfo del Atlántico y la velocidad de otras corrientes oceánicas. Dado que todos los demás océanos dependen del movimiento de la energía térmica del Océano Atlántico, los climas de todo el planeta pueden verse afectados de manera dramática. El debilitamiento o fortalecimiento del vórtice polar puede alterar la circulación del mar a más de una milla por debajo de las olas.El fortalecimiento de los sistemas de tormentas dentro de la troposfera que enfrían los polos intensifica el vórtice polar. Las anomalías climáticas relacionadas con La Niña fortalecen significativamente el vórtice polar. La intensificación del vórtice polar produce cambios en la humedad relativa a medida que las intrusiones descendentes de aire estratosférico seco ingresan al núcleo del vórtice. Con un fortalecimiento del vórtice viene un enfriamiento de onda larga debido a una disminución en la concentración de vapor de agua cerca del vórtice. La disminución del contenido de agua es el resultado de una tropopausa más baja dentro del vórtice, que coloca el aire estratosférico seco sobre el aire troposférico húmedo.La inestabilidad se produce cuando el tubo de vórtice, la línea de vorticidad concentrada, se desplaza. Cuando esto ocurre, los anillos de vórtice se vuelven más inestables y propensos a moverse por las ondas planetarias. La actividad de las ondas planetarias en ambos hemisferios varía de un año a otro, produciendo una respuesta correspondiente en la fuerza y ​​temperatura del vórtice polar. El número de ondas alrededor del perímetro del vórtice está relacionado con el tamaño del núcleo; a medida que disminuye el núcleo del vórtice, aumenta el número de ondas.

El grado de mezcla del aire polar y de latitudes medias depende de la evolución y posición del chorro nocturno polar. En general, la mezcla es menor dentro del vórtice que fuera. La mezcla ocurre con ondas planetarias inestables que son características de la estratosfera media y alta en invierno. Antes de la ruptura del vórtice, hay poco transporte de aire fuera del vórtice polar ártico debido a las fuertes barreras por encima de los 420 km (261 millas). El chorro de la noche polar que existe debajo de esto es débil a principios del invierno. Como resultado, no desvía ningún aire polar descendente, que luego se mezcla con el aire en las latitudes medias. A fines del invierno, las parcelas de aire no descienden tanto, lo que reduce la mezcla. Una vez que se disuelve el vórtice, el aire ex-vórtice se dispersa hacia las latitudes medias en un mes.

A veces, una masa del vórtice polar se desprende antes del final del último período de calentamiento. Si es lo suficientemente grande, la pieza puede trasladarse a Canadá y al medio oeste, centro, sur y noreste de los Estados Unidos. Esta desviación del vórtice polar puede ocurrir debido al desplazamiento de la corriente en chorro polar; por ejemplo, la dirección significativa hacia el noroeste de la corriente en chorro polar en la parte occidental de los Estados Unidos durante los inviernos de 2013–2014 y 2014–2015. Esto provocó condiciones cálidas y secas en el oeste y condiciones frías y nevadas en el centro-norte y el noreste. Ocasionalmente, la masa de aire de alta presión, llamada Bloque de Groenlandia, puede hacer que el vórtice polar se desvíe hacia el sur, en lugar de seguir su camino normal sobre el Atlántico Norte.

Cambio climático

Un estudio realizado en 2001 encontró que la circulación estratosférica puede tener efectos anómalos en los regímenes climáticos. En el mismo año, los investigadores encontraron una correlación estadística entre el vórtice polar débil y los brotes de frío intenso en el hemisferio norte. En años posteriores, los científicos identificaron interacciones con la disminución del hielo marino del Ártico, la reducción de la capa de nieve, los patrones de evapotranspiración, las anomalías de la NAO o las anomalías climáticas que están vinculadas al vórtice polar y la configuración de la corriente en chorro. Sin embargo, debido a que las observaciones específicas se consideran observaciones a corto plazo (a partir de hace unos 13 años), existe una incertidumbre considerable en las conclusiones. Las observaciones climatológicas requieren varias décadas para distinguir definitivamente la variabilidad natural de las tendencias climáticas.

La suposición general es que la capa de nieve reducida y el hielo marino reflejan menos luz solar y, por lo tanto, aumenta la evaporación y la transpiración, lo que a su vez altera el gradiente de presión y temperatura del vórtice polar, lo que hace que se debilite o colapse. Esto se hace evidente cuando la amplitud de la corriente en chorro aumenta (meandros) sobre el hemisferio norte, lo que hace que las ondas de Rossby se propaguen más hacia el sur o el norte, lo que a su vez transporta aire más cálido al polo norte y aire polar a latitudes más bajas. La amplitud de la corriente en chorro aumenta con un vórtice polar más débil, por lo que aumenta la posibilidad de que los sistemas meteorológicos se bloqueen. Un evento de bloqueo en 2012 surgió cuando una alta presión sobre Groenlandia condujo al huracán Sandy hacia los estados del norte del Atlántico Medio.

Agotamiento del ozono

La química del vórtice polar antártico ha creado un grave agotamiento del ozono. El ácido nítrico de las nubes estratosféricas polares reacciona con los clorofluorocarbonos para formar cloro, que cataliza la destrucción fotoquímica del ozono. Las concentraciones de cloro se acumulan durante el invierno polar y la consiguiente destrucción de ozono es mayor cuando vuelve la luz del sol en primavera. Estas nubes solo se pueden formar a temperaturas inferiores a aproximadamente -80 ° C (-112 ° F).

Dado que hay un mayor intercambio de aire entre el Ártico y las latitudes medias, el agotamiento del ozono en el polo norte es mucho menos grave que en el sur. En consecuencia, la reducción estacional de los niveles de ozono sobre el Ártico suele caracterizarse como una "abolladura de ozono", mientras que el agotamiento más grave del ozono sobre la Antártida se considera un "agujero de ozono". Dicho esto, la destrucción química del ozono en el vórtice polar del Ártico de 2011 alcanzó, por primera vez, un nivel claramente identificable como un "agujero de ozono" en el Ártico.

Fuera de la tierra

También se sabe que otros cuerpos astronómicos tienen vórtices polares, incluido Venus (doble vórtice, es decir, dos vórtices polares en un polo), Marte, Júpiter, Saturno y la luna de Saturno, Titán.

El polo sur de Saturno es el único vórtice polar caliente conocido en el sistema solar.