Ozono Troposférico y Estratosférico

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera de la Tierra. Comienza a nivel de la superficie y se eleva a una altura de 7 a 20 Km sobre el nivel del mar. La mayor parte de la masa de la atmósfera está en la troposfera (aproximadamente un 80%).Casí todos los estados del tiempo ocurren en esta capa. El aire es más caliente en la parte inferior de la troposfera cerca del nivel del suelo. Más arriba, el aire se enfría. La presión y la densidad del aire también son menores en elevadas altitudes.

La capa sobre la troposfera se llama estratosfera, ésta es la capa de la atmósfera que se extiende entre los 15 y los 50 Km. La tropopausa, que es la zona que limita la troposfera y la estratosfera es un borde muy claro, pero no está exactamente a los 15 Km, sino que oscila entre los 9 y 18 Km dependiendo de la estación y de la latitud. En esta zona la temperatura aumenta con la altitud debido a la absorción de radiaciones UV por el oxígeno y el ozono. Esta distribución de temperaturas origina una "inversión térmica"que dificulta el movimiento vertical de los gases manteniéndolos perfectamente estratificados.

El ozono (O3) es una forma alotrópica del oxígeno presente de forma natural en la atmósfera, tanto en la estratosfera como en la troposfera.  El ozono es un constituyente natural del aire que respiramos. Es un gas azulado, compuesto por tres átomos de oxígeno  altamente oxidante debido a la inestabilidad de su estructura molecular y tóxico a concentraciones elevadas. Puede tener efectos corrosivos sobre materiales y, a determinadas concentraciones, efectos irritantes sobre las mucosas de los seres vivos.

En la estratosfera, aproximadamente a unos 20 km de altura de la superficie terrestre se encuentra la denominada capa de ozono u ozono estratosférico. Esta capa de ozono actúa de forma beneficiosa absorbiendo radiación UV proveniente del sol y evitando que llegue a la superficie de la Tierra. En ésta se producen mecanismos de creación y destrucción de ozono que permite en forma natural mantener la capa. Su debilitamiento o desaparición se debe principalmente a la presencia de gases de efecto invernadero por contaminación de tipo antropogénico.

El ozono situado en la troposfera es lo que se denomina ozono troposférico. este ozono, a causa del hombre, puede encontrarse en concentraciones superiores a las naturales, actuando entonces como un contaminante atmosférico por sus efectos nocivos sobre el medio. Entonces se trata de un contaminante secundario de origen fotoquímico, es decir, no emitido directamente a la atmósfera, sino mediante reacciones fotoquímicas (en presencia de luz solar) a partir de contaminantes primarios que son aquellas que se emiten directamente a la atmósfera.

Los precursores del ozono son fundamentalmente los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (COVx) los cuales se emiten de manera natural o como consecuencia de las actividades humanas. La época con mayores niveles de ozono suele coincider con el verano debido a una mayor presencia de radiación solar. A manera de ilustración se muestra en el gráfico de la izquierda la relación existente entre los niveles de concentración de ozono y la radiación solar para la ciudad de Alcalá de Henares para el periodo comprendido entre abril del 2005 y enero del 2012.(cálculos realizados durante el curso de contaminación atmosférica en la UAH)

El ozono es un gas tóxico que a concentraciones muy elevadas puede tener efectos en la salud humana, afectando principalmente el aparato respiratorio e irritando las mucosas, pudiendo llegar a producir afecciones pulmonares. Los primeros síntomas que se detectan tras una exposición al mismo es tos, dolor de cabeza, náuseas  dolores pectorales y acortamiento de la respiración. estos síntomas se han observado para concentraciones de ozono de alrededor de 240 ug/m3(umbral de alerta).

Ondas Kelvin

A lo largo de la costa de América del Sur, los vientos alisios del sudeste impulsan la corriente del Perú, forzando el agua superficial mar adentro y permitiendo que el agua fría y rica en nutrientes aflore en superficie. El impulso hacia el Oeste de los vientos alisios se mantiene sobre el Pacífico central y oriental. Según el modelo de Wyrtki el esfuerzo del roce resultante sobre la superficie del mar eleva el nivel de éste en el Pacífico Occidental , el agua se acumula hacia el oeste. El agua acumulada incrementa el espesor de la capa superficial caliente del océano; dicho de otra manera, profundiza la termoclina (intervalo de separación entre la capa superficial bien mezclada y las capas más frías y profundas. Frente a la costa de América del Sur, la termoclina comienza ya a los 50 metros de profundidad, lo que explica porque el agua que aflora es fría. En el Pacífico occidental, sin embargo no se inicia hasta los 200 metros de profundidad.

Los propios alisios del sudeste se deben, al gradiente de presión entre el sistema de alta presión del Pacífico sur y el sistema de baja presión sobre Indonesia y Australia. De aquí que el índice de oscilación del sur (que describe la diferencia de presión entre estos dos sistemas) sea también una medida de la intensidad de estos vientos. Cuando el índice es alto, el gradiente de presión es grande y los vientos intensos.

El Niño, viene anunciado por un brusco descenso del índice y el correspondiente debilitamiento de los vientos alisios en el Pacífico occidental. La relajación de los vientos alisios comienza generalmente en octubre o meses próximos. El agua caliente acumulada en el Pacífico occidental, que los vientos ya no retienen, fluye de vuelta hacia el Este, y el nivel del mar sube al este de la Línea Internacional de cambio de Fecha (que en la proximidad del Ecuador, sigue el meridiano 180º). La corriente adquiere forma de ondas, conocidas como ondas de Kelvin, que se propagan hacia el este en la banda ecuatorial, alcanzando las costas de América del Sur en dos o tres meses (170 Km/día).

Las ondas de Kelvin (ondas gravitatorias atrapadas en el ecuador por la rotación terrestre)  producen dos efectos: generan corrientes anómalas hacia el Este y deprimen la termoclina.

Ambos efectos tienden a calentar la superficie del mar, el primero aportando agua caliente del oeste y el segundo impidiendo el afloramiento de agua fría procedente de la termoclina o subyacente a ésta. El afloramiento que reviste mayor importancia, aparece muy destacado frente a sudamérica, donde la termoclina suele ser poco profunda. La superficie del mar comienza a calentarse allí en diciembre o enero, cuando las primeras ondas de Kelvin llegan a la costa. 

A medida que El Niño se va desarrollando, los vientos alisios continúan debilitándose cerca de indonesia, para acabar sustituidos por vientos superficiales del oeste; las ondas de Kelvin intensificadas que desencadenan éstos deprimen todavía más la termoclina a la altura de América del Sur. Aunque los vientos alisios del Sudeste que barren la costa sudamericana no colapsan y, por tanto, continúan impulsando el afloramiento, el agua que aflora ya no es fría, sino caliente (pobre en nutrientes). En consecuencia la corriente del oeste frente a la parte ecuatorial de América del Sur no sólo queda debilitada por el impuso hacia el Este de las ondas de Kelvin, sino que, además, es mucho más caliente que antes. El calentamiento de la superficie del mar, por tanto, comienza a extenderse en dirección al Oeste a lo largo del Ecuador.

La circulación normal de vientos a lo largo del Ecuador puede invertir su curso durante un episodio de El Niño. Cuando los alisios del Este alcanzan el Ecuador, lo atraviesan y transportan aire progresivamente más cálido y húmedo hacia el sistema de bajas presiones situado sobre Indonesia. Allí convergen con los vientos superficiales del oeste. El aire caliente asciende, la humedad se condensa y se producen abundantes precipitaciones. El aire desprovisto de su humedad, avanza hacia el Este en la alta tropósfera (a una altura variable entre 9 y 12 kilómetros), se enfría y desciende luego sobre la región central y oriental del Pacífico ecuatorial, donde predomina un tiempo seco y asoleado.

Según el modelo de Wyrtki, la dirección del flujo en esta celda de circulación se invierte durante El Niño por una acción de realimentación positiva entre la atmósfera y la superficie del mar. Los vientos del oeste que se desarrollan al Este de Indonesia desencadenan ondas de Kelvin que calientan el Pacífico central; como el aire asciende cuando está sobre agua caliente, la superficie del mar, anormalmente caliente, impulsa la rama ascendente de la celda de circulación hacia el Este. Los vientos del Oeste vienen detrás, intensificando y desencadenando nuevas ondas de Kelvin. Finalmente, la rama ascendente se desvía hacia el Pacífico central y oriental, produciendo fuertes lluvias en esa región normalmente seca. El aire se mueve hacia el oeste, y no hacia el este, en la alta tropósfera y desciende sobre Indonesia; sobreviene allí un tiempo seco que no es habitual. 

Las ondas Kelvin se forman cerca de las costas de Indonesia y viajan hacia el este en la dirección a Sudamérica. Una onda Kelvin típica tiene temperaturas mayores que las aguas circundantes. Ellas pueden existir solamente en el sector ecuatorial debido a la rotación de la tierra. la amplitud de la ondas Kelvin alcanza algunas decenas de metros a lo largo de la zona de termoclina y la longitud de sus ondas son hasta de miles de kilómetros. 

Existen dos tipos de ondas Kelvin: costera y ecuatorial. Ambas son manejadas por la gravedad y por factores de dispersión nula. Frecuentemente dichas ondas son estimuladas por cambios abruptos en la dirección e intensidad de los vientos. Las ondas ecuatoriales Kelvin se propagan hacia el este en el hemisferio norte utilizando las características de la línea ecuatorial como guía. Las ondas costeras Kelvin se propagan hacia el hemisferio norte en sentido antihorario, aprovechando la línea costera como guía. estas ondas especialmente las superficies se desplazan de manera rápida con velocidades promedio de 2.5 m/seg.

La llegada de una onda Kelvin no siempre significa que puede suceder lo peor, normalmente se manifiesta quizá con pequeñas lluvias o aumentos pasajeros de temperatura. Sin embargo, es necesario poner mucha atención a estas manifestaciones porque existe la posibilidad que  encubra un fenómeno intenso de  El Niño. De la fatales experiencias del Fenómeno del Niño en 1982-1983, países como Estados Unidos, Japón y Francia han dispuesto alrededor de 70 boyas a lo largo del Pacífico ecuatorial. A este conjunto de boyas se le conoce como Red-TAO (Tropical Atmospheric Ocean), y su función consiste en supervisar la temperatura del agua a una profundidad de 500 metros, así como los vientos, temperatura atmosférica, y la humedad relativa.  La Red-TAO es uno de los sistemas más confiables para advertirnos la presencia del Niño, se cuenta también con el satélite franco-americano TOPEX-Poseidón, que puede medir la altura de la superficie del océano con el radar a bordo con que cuenta. Ambas tecnologías (Red TAO y TOPEX-Poseidón) han rastreado las últimas ondas Kelvin desde la que se formó cerca de Indonesia en diciembre del 2001, y que cruzando el Pacífico en enero llegó hasta las costas de Sudamérica en febrero.