Ciclones y anticiclones

2016

Vientos y Presión

Los vientos (movimiento horizontal del aire) estándirectamente asociados a la presión.

La presión en un punto de la atmósfera esaproximadamente proporcional a la masa de aire quehay por encima del nivel del punto.

La atmósfera se concentra cerca de la superficie.

La presión desciende cuando aumenta la altura, másrápidamente en niveles bajos, y más lentamente enalturas mayores.

Variación de la presión y la densidad con la altitud

(Esta figura es para agua; para el aire essimilar.)

Debido a la mayor altura de agua, en la salidadel tanque A la presión es mayor que en laentrada del tanque B.Eso genera una fuerza de A a B.

Eso hace que el agua se mueva de A hacia B,de la zona de mayor presión a la de menorpresión.

En la atmósfera, las diferencias horizontales de presión hacen mover al aire horizontalmente de la zona de mayor presión a la de menor presión.

La principal fuerza que hace mover al aire es la fuerzadel gradiente horizontal de presiones (pero no es laúnica)

Fuerza del gradiente horizontal de presiones

Apunta de las presionesaltas hacia las bajas,formando un ángulo rectocon las isobaras, que sonsuperficies de presiónconstante.

Gradiente de presión ~ (∆p / distancia)Fuerza de gradiente horizontal de presión= - (Gradiente de presión)/ ρ

Las isóbaras más cercanas entre sí indican gradientes de presiónrelativamente grandes, fuerzas grandes (y vientos relativamente fuertes,como veremos).

Por el contrario, isóbaras más separadas indican gradientes de presión más suaves, fuerzas más débiles y vientos más suaves.

TR p =ecuación de los gases ideales; (ecuación de estado)Se cumple con buena aproximaciónen la tropósfera

R es la constante del gas

En el Sistema Internacional:para el aire seco, es R = 287 J / (ºK kg)

p se mide en Paρ en kg/m3

T en ºK

La presión, densidad y temperatura del aireestán vinculadas a través de la ley de losgases ideales.

La fuerza de CoriolisGaspard-Gustave de Coriolis (1792-1843)

Ejemplo previo:

La fuerza de Coriolis

• Es debida a la rotación de la Tierra (si la Tierra no rotara, esta fuerza sería nula).

• Actúa sobre cuerpos en movimiento respecto a la Tierra. Su módulo es proporcional a la velocidad del cuerpo.

• Desvía el viento hacia la izquierda en el Hemisferio Sur y hacia la derecha en el Hemisferio Norte

• Vale cero en el Ecuador y aumenta hacia los polos, donde es máxima.

Es decir que la magnitud de la fuerza depende de:

• la rotación de la Tierra (Ω: velocidad angular de rotación de la Tierra; 7.3 x 10 -5 rad/s)

• la latitud• la velocidad del cuerpo (el módulo de la fuerza es proporcional a la velocidad)

La aceleración de Coriolis se suele escribir como:

siendo:

f es el parámetro de Coriolis, siendo ϕ la latitud;es positivo en el HN y negativo en el HS.

U aC = kf

ϕsen Ω2f =

O bien:

U: velocidad (relativa a la Tierra)

Ω: velocidad angular de rotación de la Tierra

Vamos a considerar la proyección horizontal de esta ecuación, y vamos a analizar las relaciones entre los distintos términos.

td

d UAceleración (relativa a la Tierra)

Es una ecuación vectorial

La ecuación nos dice que el viento (que es horizontal), está controlado por: el efecto de la rotación terrestre (Coriolis), la fuerza del gradiente de presión, y la fricción del aire con la superficie.

Balance geostrófico

• En sistemas de vientos de gran escala espacial (ej., ciclones extratropicales), el término de la aceleración es aproximadamente un orden de magnitud menor que el término de Coriolis, y en primera instancia se puede despreciar frente a éste.

• En la atmósfera libre (típicamente en altura), el término de fricción es mucho más pequeño, y también es despreciable.

• En esta situación, la fuerza de gradiente de presión tiende a estar en equilibrio con la fuerza de Coriolis y las isobaras son rectilíneas y paralelas.

Tenemos:

Balance geostrófico

Hemisferio Norte

En el HN, el viento geostróficodeja a la izquierda las bajaspresiones y a la derecha las altas.Al revés en el HS.

Efecto de la aceleración

(Hemisferio Norte)

Si no despreciamos la aceleración, las trayectorias del viento noson rectilíneas.(No hay equilibrio entre Coriolis y el gradiente de presión.)En esta aproximación, se tiene el viento gradiente, paralelo a lasisóbaras, y de módulo constante.

En la dirección normal a la trayectoria la resultante debe ser centrípeta.

También se dice que hay equilibrio entre las fuerzas de gradiente de presión, de Coriolis y centrífuga.

Fuerza de fricción

En la capa límite planetaria (hasta una altura de aprox. 1000 a 1500 m) la fricción tiene un efecto apreciable.

La fuerza de fricción es opuesta a la velocidad del aire, que se ve reducida por aquella, lo cual reduce a su vez a la fuerza de Coriolis.Se establece un equilibrio entre esa fuerza, el gradiente de presiones, y la fuerza de fricción.

Como consecuencia, el viento en niveles bajos corta las isobaras “entrando”hacia los centros de baja presión, y “saliendo” de los centros de alta presión.El ángulo del viento con las isobaras depende de la velocidad del viento y de la topografía. En promedio es de 30º aprox.

(Hemisferio Norte)

Mapa de presión en superficie

Ciclones alrededor debajas presiones yanticiclones alrededor de altas presiones(en ambos hemisferios).

(Notar que el viento real cruza las isóbaras, apuntando de presiones mayores a menores.)

El campo de presióna un cierto nivelayuda a conocer elcampode vientos.

Hemisferio Sur

Donde las isobaras son curvas que no se cierran, a las regiones de altas presiones se les llama cuñas (o dorsales) y a las de bajas presiones, vaguadas. La línea que une los puntos de mayor curvatura en las cuñas (vaguadas) se llama eje de cuña (vaguada). El viento en las cuñas es anticiclónico y en los vaguadas ciclónico.

Cuña Vaguada

Vientos y movimiento vertical del aire

Debido a la fricción, alrededor de un centro de baja en superficie, se genera convergencia, y el aire asciende. En altura hay divergencia. Lo opuesto ocurre alrededor de un centro de alta en superficie. Hay descenso (o subsidencia) del aire. Hay divergencia en superficie, y convergencia en altura.

El movimiento vertical es de unoscentímetros por segundo, mucho menor que la velocidad del vientohorizontal, que es del orden de 10 m/s.

Habitualmente, el gradiente verticalde presiones está aproximadamente en equilibrio con la gravedad, y se dice que el aire está en equilibrio hidrostático:

g=

z

pHemisferio Norte

El aire ascendente puede producir (en presencia de humedad) condensación, formación de nubes y precipitación, por lo que un ciclón (o depresión) en superficie suele estar asociado con atmósfera inestable y mal tiempo.

Para que en latitudes medias se desarrollen e intensifiquen los ciclones (extratropicales) es necesario que en niveles altos y por encima de donde en superficie se genera la tormenta, exista divergencia de viento. Tales áreas de divergencia en niveles altos pueden ser proporcionadas por el jet.

Por el contrario, en un anticiclón en superficie hay divergencia del viento y subsidencia que es generada por una convergencia en altura. La subsidencia comprime el aire, por lo que se calienta, evitando la formación de nubes y produciendo buen tiempo.

Los episodios ocurrido en el sur de Uruguay el 23 de agosto de 2005 y entre el 13 y 14 de setiembre de 2016 son ejemplos de ciclones extratropicales.

Son casos de “ciclogénesis explosiva”, así llamados cuando la presión desciende por lo menos 24 hPa en 24 hs.

Hemisferio Norte

OMM No. 993, 2006

Ciclo de vida de una tormenta local unicelular

Tienden a ocurrir cuando los vientos en altura son más intensos y rotan. Puede durar más de 1 hora.

Se han observado velocidades de desplazamiento entre 0 y 120 km/h.

Clasificación de los tornados (escala Fujita)

Los ciclones en latitudes tropicales se clasifican según la intensidad de sus vientos en:

a) Ciclón tropical: Sistema formado por nubes con movimiento definido con vientos máximos sostenidos menores a 60 km/h.

b) Tormenta tropical: Sistema formado por nubes con movimiento definido, cuyos vientos máximos sostenidos varían entre 61 y 120 km/h.

c) Huracán: Es un ciclón tropical de intensidad máxima en donde los vientos máximos alcanzan y superan 120 km/h. Han llegado a medirse hasta 250 km/h en los vientos de los huracanes más violentos. Tienen un núcleo definido de presión en superficie muy baja, que puede ser inferior a 930 hPa.

Un huracán es una gran perturbación que se produce en regiones tropicales de la atmósfera donde las aguas del océano son relativamente cálidas (temperatura alrededor de 28° C).

Se caracteriza por un gran centro de baja presión, en torno al cual el aire gira a gran velocidad abarcando una extensión de varios cientos de kilómetros. Los huracanes tienen una anatomía y una clasificación propia, que depende de la intensidad de los vientos, de la presión atmosférica y de los daños potenciales que puede causar. Según el lugar del planeta donde se producen, se los conoce con diferentes nombres.

Huracanes

Huracán Elena, Golfo de México, setiembre 1985

En el ojo del huracán las nubes son dispersas, y hay poco viento;

la presión es muy baja ( menos de 930 hPa, llegando hasta 870

hPa).

La pared del ojo es un anillo de intensas tormentas que giran

alrededor del centro y llegan a unos 15 km de altura. Allí la

precipitación es muy intensa y los vientos muy fuertes.

Modelo de vientos y nubes en un huracán (Hemisferio Norte)

Un huracán se forma a partir de una tormenta tropical, y es formalmente identificado como tal, asignándosele un nombre, cuando el viento cerca de la superficie supera los 120 km/h.

La energía que requiere un huracán para mantener su actividad proviene de la liberación de calor que se produce en el proceso de condensación del vapor de agua que se evapora desde la superficie del océano, formando nubosidad e intensa precipitación. El “combustible” del huracán es el aire caliente y húmedo. La rotación de la tierra eventualmente le da movimiento en forma circular a este sistema, el que comienza a girar y desplazarse como un gigantesco trompo. Como en todo ciclón, este giro se realiza en sentido horario en el hemisferio sur y antihorario en el hemisferio norte.

Cuando un huracán entra en el continente pierde rápidamente intensidad al detenerse el proceso de fuerte evaporación desde la superficie.

El ojo de un huracán bien desarrollado tiene un diámetro de entre 10 y 50 km, donde el aire desciende.

La velocidad de desplazamiento, en su máximo, puede superar los 90 km/h.

A diferencia de los tornados, la vida media de un huracán puede variar desde unos pocos días hasta varias semanas.

Clasificación de los huracanes(escala Saffir-Simpson)

Huracán Mitch, octubre 1998