El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética, calentando la Tierra. Sin embargo, la distribución del calor a lo largo de la superficie terrestre no es homogénea: las regiones ecuatoriales y tropicales reciben mucha más energía solar que las latitudes medias y las regiones polares.

Además, la Tierra también emite radiación hacia el espacio, pero la cantidad de energía emitida por la Tierra tampoco es homogénea, ya que depende de la temperatura de la superficie. Las regiones tropicales, que están más calientes, emiten más energía que las regiones polares, que están más frías (Figura 1).

Aún así, en latitudes bajas la cantidad de energía recibida es mayor que la emitida (hay ganancia de energía), mientras que en latitudes altas la cantidad de energía emitida es mayor que la recibida (hay pérdida de energía). De este modo, si no hubiera transferencia de calor entre los trópicos y las regiones polares, los trópicos se calentarían más y más, y los polos estarían cada vez más fríos.

Este desequilibrio de calor latitudinal (norte-sur) es el origen de la circulación de la atmósfera y los océanos: la energía calorífica se redistribuye desde las regiones más cálidas hasta las más frías por medio de la circulación de la atmósfera (60%) y del océano (40%). La Figura 2 muestra un esquema de la circulación global de la atmósfera.

¿Cómo redistribuye la atmósfera el exceso de calor de las regiones tropicales?

En latitudes tropicales, la redistribución de energía la lleva a cabo básicamente la circulación de la célula de Hadley. Ésta consiste en ascensos del aire caliente (convección) alrededor del Ecuador, que una vez que alcanza los 10-12 km (el tope de la troposfera, puedes ver un perfil de la atmósfera estándar en el experimento de contaminación atmosférica) se dirige hacia latitudes más altas de ambos hemisferios. En 30ºN y 30ºS aproximadamente, el aire vuelve a descender hasta la superficie, viajando de nuevo hacia el Ecuador para completar la célula.

En latitudes medias, no existe una célula de circulación similar a la de Hadley que transporte energía a latitudes más altas. El transporte lo llevan a cabo fundamentalmente las ondas planetarias transitorias o de Rossby*, que son generadas por inestabilidades térmicas y/o dinámicas en el flujo del oeste propio de las latitudes medias. 

Las circulaciones con forma de onda en la troposfera media y alta de latitudes intermedias provocan un transporte neto de calor hacia latitudes más altas: los remolinos transportan aire frío hacia el ecuador y aire caliente hacia el polo, reduciendo la diferencia de temperatura entre el ecuador y los polos; el aire frío se transporta hacia el ecuador al oeste del frente, mientras que al este el aire cálido se trasporta hacia el polo (Figura 3). 

Estas onda a menudo forman remolinos cerrados, especialmente en la superficie: las borrascas y anticiclones de las que hemos oído hablar todos los días a la persona que da el tiempo en la tele (Figura 4). En esta figura la “B” indica una borrasca (ciruclación ciclónica anti-horaria y baja presión) y la “A” indica un anticiclón (circulación horaria y alta presión). Hacia los polos el aire está más frío (T-) y hacia el ecuador más caliente (T+). De esta forma se producen frentes fríos (marcados por los triángulos azules en la figura 4) y frentes cálidos (marcados por los semicírculos rojos en la figura 4).

¿Por qué se forman esas ondas?

Por la rotación de la Tierra, la circulación de la atmósfera se ve condicionada por una cosa: la conservación del momento angular. La circulación general, además de asegurar la redistribución de la energía, debe compensar el transporte de momento, por lo que la circulación atmosférica no puede ser puramente meridional, habiendo forzosamente vientos de componente paralela al ecuador. Por ejemplo, si una partícula de aire se mueve en altura hacia el este, tendrá mayor velocidad angular que un punto del suelo (inmóvil) situado a la misma latitud y, por tanto, tenderá a desplazarse hacia el sur en busca del paralelo que por su fuerza centrífuga le corresponde. Al desplazarse hacia el sur aumentará el radio de giro en la proporción conveniente para compensar la pérdida de velocidad angular necesaria para que la partícula se ajuste a la rotación de la Tierra.
Así, en cualquier dirección en que se mueva una partícula de aire, la rotación terrestre produce sobre ella un efecto de desviación hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur (figura 5). Esta fuerza desviadora se conoce como efecto Coriolis o aceleración de Coriolis.

* Se conocen como Ondas de Rossby en honor de Carl-Gustaf Arvid Rossby, meteorólogo estadounidense de origen sueco que explicó por primera vez los movimientos atmosféricos de gran escala basándose en la física de fluidos.

Referencia:
Marshall J. y R. A Plumb (2007): Atmosphere, Ocean and Climate Dynamics. Ed. Academic Press Inc, 344 pp.