La circulación atmosférica es un movimiento del aire atmosférico a gran escala, y el medio (junto con la circulación oceánica), por el que la energía se redistribuye sobre la superficie de la Tierra.
La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de año a año, pero la estructura básica permanece siempre constante. Sin embargo, los sistemas atmosféricos individuales - depresiones de media latitud, o células convectivas tropicales - ocurren "aleatoriamente", y está aceptado que el tiempo no puede ser pronosticado más allá de de un breve período de tiempo: quizá un mes en teoría, o (actualmente) sobre diez días en la práctica (ver Teoría del caos). No obstante, la media temporal de estos estados, es decir, el clima, es muy estable.
Los cinturones de viento y el jet stream (corriente de chorro) que rodean el planeta son modificados por tres células: la célula de Hadley, la célula de Ferrel, y la célula Polar (La interpretación de los dos últimos es compleja). Hay que tener en cuenta que no hay una única célula de Hadley, por ejemplo, pero sí varias dentro de la zona ecuatorial que cambian de posición, se combinan, y separan en un complicado proceso a lo largo del tiempo. Para propósitos descriptivos, nos referiremos a ella en singular.
El mecanismo de la célula de Hadley es muy conocido y fácil de entender. El patrón de circulación atmosférica que George Hadley describió para proporcionar una explicación a los vientos alisios coincide muy bien con las observaciones. Es un bucle de circulación cerrada, que comienza en el ecuador, con aire cálido y húmedo que es elevado por las áreas de baja presión a la tropopausa y arrastradas hacia los polos. Sobre la latitud 30°N/S, desciende en un área de altas presiones más fría. Parte del viento que viaja a lo largo del ecuador, desciende a la superficie, cerrando el bucle de Hadley y creando los Vientos Alisios
Aunque la célula de Hadley se dice que está ubicada en el ecuador, debería tenerse en cuenta que es más certero describirlo siguiendo el punto de cenit solar, o lo que se conoce como Ecuador térmico que experimenta una migración norte-sur semianual.
Célula polar
La célula Polar es un sistema simple. Aunque el aire es frío y seco respecto al ecuatorial, las masas de aire en el paralelo 60º son suficientemente cálidas y húmedas para experimentar convección y provocar un bucle térmico. El aire circula en la troposfera, limitado verticalmente por la tropopausa a unos 8 km. El aire cálido se eleva en latitudes más bajas y se mueve hacia el polo a través de la troposfera superior. (Cabe recordar que esto sucede en ambos polos.) Cuando el aire alcanza áreas polares, se ha enfriado considerablemente, y desciende, como un área de alta presión seca y fría, alejándose del polo a lo largo de la superficie y girando hacia la izquierda como resultado del efecto Coriolis para producir los Vientos polares.
El flujo polar crea ondas armónicas en la atmósfera conocidas como ondas de Rossby. Estas ondas ultra-largas juegan un importante papel para determinar el recorrido de la corriente de chorro, que viaja a lo largo de la zona de transición entre la tropopausa y la célula de Ferrel. Actuando como disipador de calor. La célula Polar complementa a la célula de Hadley en el reparto de la energía de la Tierra.
La célula Polar es la característica atmosférica principal de las regiones con latiudes elevadas del hermisferio norte. Mientras los Canadienses y Europeos tienen que enfrentarse a ocasionales tormentas fuertes en verano, no hay nada como la llegada de una visita del invierno desde latitudes siberianas para tener una apreciación real de lo que significa frío de verdad. En realidad, es el viento polar el responsable de generar las temperaturas más frías medidas en la Tierra, -89.2°C en la Estación Vostok II en 1983 en la Antártida
La célula de Hadley y la célula Polar son similares en que existen como consecuencia directa de las temperaturas en superficie; sus características térmicas invalidan los efectos atmosféricos en su dominio. El volumen dispersado de energía que transporta la célula de Hadley, y la profundidad de la disipación es lo que asegura la existencia de la célula Polar, ya que los efectos de los fenómenos atmosféricos transtitorios no se perciben como un sistema en conjunto, que — excepto bajo condiciones inusuales — ni siquiera pueden formarse. La cadena infinita de altas y bajas presiones que transcurren como parte de la vida diaria de los habitantes de latitudes medias es desconocida por encima y debajo de los paralelos 60 y 30.
Estas características atmosféricas son estables, aunque pueden fortalecerse o debilitarse regionalmente o a lo largo del tiempo, no se desvanecen por completo.
La célula de Ferrel, pronosticada teoricamente por William Ferrel, es una característica circulatoria secundaria, dependiendo de las células de Hadley y Polar para su existencia. Se comporta como una célula atmosférica oscilando entre ambas células, como resultado de las circulaciones en remolino (las áreas de altas y bajas presiones) de las latitudes medias. Por este motivo, a veces es conocida como "la zona de mezcla". En su extremo sur, invalida a la célula de Hadley, y en el norte, a la célula Polar. Así como los vientos alisios son consecuencia de la célula de Hadley, los vientos del oeste se deben a la célula de Ferrel.
Mientras que las célula Polar y la de Hadley son auténticos bucles cerrados, la célula de Ferrel no, y se puede comprobar en los vientos del oeste, que son conocidos como "los vientos prevalentes del oeste". Mientras que los alisios y vientos polares no prevalecen, la circulación de sus células evita que puedan enfrentarse, por lo que el viento occidental tiene la bondad de pasar entre ambos sistemas atmosféricos. Mientras que los vientos en capas altas son esencialmente del oeste, los vientos en superficie pueden variar ligeramente o abruptamente en dirección. Una borrasca pasando por el norte o un anticiclón pasando por el sur (tomando como referencia el Hemisferio Norte) mantiente o incluso acelera el flujo de viento occidental; el paso local de un frente frío puede cambiarlo en cuestión de minutos, y frecuentemente así sucede. Un anticilón potente en el norte puede traer vientos del este durante varios días.
La base de la célula de Ferrel está caracterizada por el movimiento de las masas de aire, y la ubicación de estas masas de aire está influenciada en parte por la localización del jet stream, que actúa como colector para el aire transportado por las bajas presiones en superficie (un vistazo en un mapa del tiempo mostrará que las bajas presiones siguen el jet stream. El movimento global del aire en superficie va desde la latitud 30 a la 60. Sin embargo, el flujo superior de la célula de Ferrel no está bien definido. En parte se debe a que esta entre las dos células, sin una fuerte fuente de calor ni una fuerte fuente de frío para provocar convección, y en parte por los efectos de los remolinos en las capas altas, los cuales actúan como influencia desestabilizadora.
Aunque las células de Hadley, Ferrel, y Polar desempeñan un importante papel en el transporte de calor, no actúan solas. Las disparidades en la temperatura también conducen un sistema de células de circulación longitudinal.
La circulación latitudinal aparece como consecuencia de que la radiación solar incidente por unidad de área es más alta en el ecuador cálido, y disminuye según la latitud aumenta, alcanzando su pico mínimo en los polos. La circulación longitudinal por otro lado, aparece dado que el agua tiene una capacidad mayor de calentamiento que la tierra y por tanto absorbe y expulsa calor con menos facilidad. Incluso en microescalas este efecto es perceptible; ya que lleva a la brisa marina, aire enfriado por el agua hacia la costa durante el día, y transporta la brisa terrestre, aire enfriado por el contacto con el suelo, hacia el mar durante las noches.
En una escala mayor, este efecto deja de ser diurno (diario), y en su lugar es temporal, o incluso decadal en sus efectos. El aire cálido se eleva sobre las regiones del ecuador continental al oeste del Océano Pacífico, y fluye al este u oeste, dependiendo de su ubicación, cuando alcanza la tropopausa, y se unde en el Atlántico e Índico, y en el este del Pacífico.
La célula del Océano Pacífico juega un papel importante en el tiempo atmosférico de la Tierra. Esta célula ubicada completamente en el océano aparece como resultado de una marcada diferencia entre las tempertauras de la superficie de los extremos occidental y oriental. En circunstancias normales, las aguas del oeste son cálidas y las del este frías. El proceso comienza cuando la actividad convectiva sobre el ecuador de Asia Oriental y el aire frío que se hunde desde la costa occidental de Sudamérica crean un patrón de vientos que empuja el agua del Pacífico hacia el oeste y la amontona en el Pacífico occidental. (Los niveles de agua en el Pacífico Oeste son 60cm más altos que en el Este, una diferencia que se debe únicamente a la fuerza del aire.)
La célula del Pacífico es de tal importancia que ha sido llamada la Circulación Walker después de que Sir Gilbert Walker, un director de los observatorios británicos de principios del siglo 20 en India, que buscó un método para predecir cuando terminarían los vientos del monzón. Si bien nunca tuvo éxito al intentarlo, su trabajo le llevó al descubrimiento de un enlace indiscutible entre las variaciones periódicas de presión en los Océanos Índico y Pacífico, a la que definió como Oscilación Meridional.
El movimiento de aire en la circulación Walker afecta a los bucles de cada lado. Bajo circunstancias "normales", el clima se comporta como se espera. Pero, cada pocos años, los vientos se vuelven inusualmente cálidos o fríos, o la frecuencia de huracanes aumenta o disminuye, el patrón se reproduce durante un periodo indeterminado.
El comportamiento de la célula de Walker es la llave para entender el fenómeno de El Niño (o más acertadamente, ENSO ,ENOS en español, ó El Niño - Oscilación Meridional).
Si la actividad convectiva se ralentiza en el Pacífico occidental por algún motivo (este motivo se desconoce actualmente), el dominó del clima comienza a derribarse. Primero, los vientos del oeste en la capa superior cesan. Esto corta la fuente de enfriamiento del aire en hundimiento, y por tanto, los vientos Alisios cesan.
La consecuencia es doble. En el Pacífico este, el agua cálida aumenta desde el oeste, ya que no hay viento en superficie para mantenerlo. Este y los efectos correspondientes de la Oscilación Meridional dan como resultado un patrón de vientos y precipitaciones en América, Australia y África Suroriental de larga duración, así como la rotura de las corrientes oceánicas.
Mientras tanto, en el Atlántico, en capas altas, los vientos del oeste, que serían bloqueados por la circulación Walker e incapaces de alcanzar altas intensidades, lo logran. Estos vientos rompen en dos las capas altas de los huracanes y disminuye sensiblemente la cantidad de ellos que logran fortalecerse.
El contrario de El Niño es La Niña. En este caso, la célula convectiva sobre el Pacífico occidental se refuerza extraordinariamente, dando como resultado vientos más fríos de lo normal en Norteamérica y una temporada más intensa de huracanes en el Sudeste asiático y Australia oriental. Hay un aumento de la subida de agua fría del océano y un intenso aumento del viento en superficie cerca de Sudamérica, resultando en un aumento de la seguía, aunque se dice a menudo, que los pescadores obtienen más benefiicios del mar, al estar más nutrido de lo normal.