Un largo período de calor húmedo seguido de tormentas eléctricas intensas es un patrón meteorológico que históricamente se observa principalmente en los trópicos y sus alrededores. Sin embargo, el cambio climático está haciendo que las olas de calor húmedo y las tormentas extremas sean más comunes en regiones tradicionalmente templadas de latitudes medias, como el medio oeste de EE. UU., que ha experimentado episodios de calor y humedad inusualmente altos en los últimos veranos.
por Jennifer Chu, Instituto Tecnológico de Massachusetts
Ahora, científicos del MIT han identificado una condición clave en la atmósfera que determina el calor y la humedad que puede alcanzar una región de latitudes medias, así como la intensidad de las tormentas asociadas. Los resultados podrían ayudar a los climatólogos a evaluar el riesgo de una región de sufrir olas de calor húmedo y tormentas extremas a medida que el mundo continúa calentándose.
En un estudio publicado esta semana en la revista Science Advances , el equipo del MIT informa que la máxima intensidad de calor húmedo y tormentas de una región están limitadas por la fuerza de una «inversión atmosférica», una condición climática en la que una capa de aire cálido se asienta sobre aire más frío.
Se sabe que las inversiones actúan como una manta atmosférica que atrapa los contaminantes a nivel del suelo. Ahora, investigadores del MIT han descubierto que las inversiones atmosféricas también atrapan y acumulan calor y humedad en la superficie, especialmente en regiones de latitudes medias. Cuanto más persistente sea una inversión, más calor y humedad puede acumular una región en la superficie, lo que puede provocar olas de calor húmedo más opresivas y duraderas.
Y, cuando una inversión finalmente se debilita, la energía térmica acumulada se libera como convección, lo que puede transformar el aire caliente y húmedo en intensas tormentas eléctricas y fuertes lluvias.
El equipo afirma que este efecto es especialmente relevante en las regiones de latitudes medias, donde las inversiones atmosféricas son comunes. En Estados Unidos, las regiones al este de las Montañas Rocosas suelen experimentar inversiones de este tipo, con aire relativamente cálido en altura sobre aire más frío cerca de la superficie.
A medida que el cambio climático calienta aún más la atmósfera en general, el equipo sospecha que las inversiones térmicas podrían volverse más persistentes y difíciles de romper. Esto podría implicar olas de calor húmedo más frecuentes y tormentas más intensas en lugares no acostumbrados a condiciones climáticas tan extremas.
«Nuestro análisis muestra que las regiones del este y medio oeste de Estados Unidos y las regiones del este de Asia pueden ser nuevos puntos críticos de calor húmedo en el clima futuro», dice el autor del estudio Funing Li, un posdoctorado en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT.
«A medida que el clima se calienta, teóricamente la atmósfera podrá retener más humedad», añade Talia Tamarin-Brodsky, coautora y profesora adjunta de EAPS. «Por eso, nuevas regiones en latitudes medias podrían experimentar olas de calor húmedo que les causarán un estrés al que no estaban acostumbradas».
Energética del aire
Las capas de la atmósfera generalmente se enfrían con la altitud. En estas condiciones típicas, cuando una ola de calor atraviesa una región, calienta el aire a nivel del suelo. Dado que el aire cálido es más ligero que el frío, eventualmente ascenderá, como un globo aerostático, provocando que el aire más frío descienda. Este ascenso y descenso del aire desencadena la convección, como burbujas en agua hirviendo. Cuando el aire cálido alcanza altitudes más frías, se condensa en gotitas que caen en forma de lluvia, generalmente en forma de tormenta eléctrica, lo que a menudo puede aliviar una ola de calor.
Para su nuevo estudio, Li y Tamarin-Brodsky se preguntaron: ¿Qué se necesitaría para que el aire en la superficie se conveccionara y, en última instancia, pusiera fin a una ola de calor? Dicho de otro modo: ¿qué establece el límite de temperatura que puede alcanzar una región antes de que el aire comience a conveccionarse y finalmente se convierta en lluvia?
El equipo abordó la cuestión como un problema energético. El calor es energía que puede concebirse de dos formas: la energía proveniente del calor seco (es decir, la temperatura) y la energía proveniente del calor latente o húmedo. Los científicos razonaron que, para una porción o «parcela» de aire, existe cierta cantidad de humedad que, al condensarse, contribuye a la energía total de esa porción. Dependiendo de la energía que tenga una porción de aire, podría comenzar a conveccionarse, ascender y, finalmente, precipitarse.
«Imagina colocar un globo alrededor de una masa de aire y preguntarte: ¿se quedará quieta, ascenderá o se hundirá?», dice Tamarin-Brodsky. «No se trata solo del aire caliente que asciende. También hay que considerar la humedad presente. Así, consideramos la energía de una masa de aire teniendo en cuenta la humedad presente en ese aire. Así, podemos determinar la máxima ‘energía húmeda’ que puede acumularse cerca de la superficie antes de que el aire se vuelva inestable y se convecte».
Barrera térmica
A medida que avanzaban en su análisis, los investigadores descubrieron que la cantidad máxima de energía húmeda, o el nivel más alto de calor y humedad que el aire puede contener, está determinada por la presencia e intensidad de una inversión atmosférica. En los casos en que las capas atmosféricas se invierten (cuando una capa de aire cálido o ligero se asienta sobre aire más frío o pesado, a nivel del suelo), el aire debe acumular más calor y humedad para que una parcela de aire genere suficiente energía para ascender y atravesar la capa de inversión. Cuanto más persistente sea la inversión, más caliente y húmedo debe ser el aire para poder ascender y conveccionarse.
Su análisis sugiere que una inversión atmosférica puede aumentar la capacidad de una región para retener calor y humedad. El nivel de calor y humedad que pueden alcanzar depende de la estabilidad de la inversión. Si una capa de aire cálido se mantiene sobre una región sin moverse, permite que se acumule más calor húmedo, a diferencia de si la capa se retira rápidamente. Cuando el aire finalmente se convecta, el calor y la humedad acumulados generarán tormentas más fuertes e intensas.
«Esta creciente inversión tiene dos efectos: olas de calor húmedo más severas y tormentas convectivas menos frecuentes pero más extremas», dice Tamarin-Brodsky.
Las inversiones atmosféricas se forman de diversas maneras. Por la noche, la superficie que se calentó durante el día se enfría irradiando calor al espacio, lo que hace que el aire en contacto con ella sea más frío y denso que el aire superior. Esto crea una capa superficial en la que la temperatura aumenta con la altura, denominada inversión nocturna. Las inversiones también pueden formarse cuando una capa superficial de aire marino frío se desplaza tierra adentro desde el océano y se desliza bajo el aire más cálido sobre la tierra, dejando aire frío cerca de la superficie y aire más cálido sobre ella. En algunos casos, pueden formarse inversiones persistentes cuando el aire calentado sobre las montañas calentadas por el sol se transporta sobre regiones bajas más frías, de modo que una capa cálida en la parte superior cubre el aire más frío cerca del suelo.
«Las Grandes Llanuras y el Medio Oeste han experimentado históricamente numerosas inversiones térmicas debido a las Montañas Rocosas», afirma Li. «Las montañas actúan como una eficiente fuente elevada de calor, y los vientos del oeste transportan este aire relativamente cálido río abajo hacia el centro y el medio oeste de EE. UU., donde pueden contribuir a crear una inversión térmica persistente que retiene el aire más frío cerca de la superficie».
«En un clima futuro para el Medio Oeste, podrían experimentar tormentas eléctricas más severas y olas de calor húmedo más extremas», afirma Tamarin-Brodsky. «Nuestra teoría ofrece una comprensión del límite del calor húmedo y la convección severa para estas comunidades que serán futuras zonas calientes de olas de calor y tormentas eléctricas».
Más información: Funing Li et al., La estabilidad atmosférica establece el máximo calor húmedo y convección en las latitudes medias, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aea8453
