lunes, 30 de mayo de 2011

CONDICIONES Y FENÓMENOS METEOROLÓGICOS QUE OCASIONAN CIZALLADURA DEL VIENTO A POCA ALTURA

PERFIL DEL VIENTO EN LOS NIVELES INFERIORES DE LA ATMÓSFERA


GENERALIDADES

Es un hecho bien conocido que, aun fuera de la influencia de determinados fenómenos meteorológicos que ocasionan cizalladura del viento, ésta se encuentra siempre presente en la atmósfera, aunque en circunstancias normales no entraña dificultades para el piloto. Ello puede observarse especialmente a menos de 600 m (2 000 ft), donde la resistencia al avance debida a la fricción ejercida en la capa de aire más cercana a la superficie terrestre ocasiona cambios tanto en la velocidad como en la dirección del viento con la altura. A esta capa se le suele denominar “capa de fricción”, la cual a su vez puede subdividirse como sigue:

a) la “capa límite de superficie”, que se extiende desde la superficie terrestre hasta una altura
aproximada de 100 m (330 ft), en la cual el movimiento del aire se rige principalmente por
la fricción con la superficie terrestre; y

b) la “capa de Ekman” a , que se extiende desde unos 100 m (330 ft) hasta una altura de por
lo menos 600 m (2 000 ft), en la cual el efecto de fricción, aun cuando sigue siendo importante, disminuye progresivamente a medida que aumenta la altura, en tanto que otros factores determinantes, tales como la fuerza de coriolis y la fuerza del gradiente horizontal de presión, adquieren cada vez más importancia.

En toda la capa de fricción, la velocidad del viento tiene tendencia a aumentar con la altura,
produciéndose el cambio más importante inmediatamente por encima de la superficie terrestre, en la capa límite de superficie. En esta capa la dirección del viento tiende a permanecer constante con la altura, pero, en toda la capa de Ekman, tiende a girar en el sentido de las agujas del reloj con la altura en el hemisferio norte y en el sentido contrario en el hemisferio sur.


LA CAPA LÍMITE DE SUPERFICIE

En la capa más baja de la atmósfera, por debajo de unos 100 m (330 ft), la dirección del viento
es aproximadamente constante con la altura, mientras que se ha observado un aumento de su velocidad con la altura y que este cambio es sumamente más rápido inmediatamente por encima de la superficie.

Hay algunas dificultades para obtener, a base de principios físicos, una relación teórica entre la velocidad del viento y su altura en la capa límite de superficie, en todas las condiciones posibles de estabilidad.

Sin embargo, es relativamente simple calcular esta relación para la condición especial de estabilidad neutral (es decir, ni estable ni instable), en la que el gradiente adiabático real se supone igual al gradiente adiabático seco en el aire no saturado, e igual al gradiente adiabático saturado en el aire saturado (y el movimiento vertical debido a las fuerzas ascensionales es reducido comparado con el movimiento horizontal). Estas condiciones se satisfacen aproximadamente en la capa límite de superficie siempre que los vientos sean lo suficientemente fuertes para garantizar una mezcla turbulenta. Si el viento es muy flojo, especialmente en condiciones de calma acompañado de inversiones acentuadas a baja altura, no se establece una capa estable neutral, y la teoría no se puede aplicar. Suponiendo que la atmósfera sea estable y neutra en la capa límite de superficie, la variación teórica de la velocidad del viento con la altura viene dada entonces por la siguiente ecuación:


Donde

u = es la velocidad del viento en la altura z,
u* = es la “velocidad de fricción”,
k = es la constante de von Karmanb , aproximadamente 0,38,
zo = es la longitud de aspereza, que depende de la naturaleza (aspereza) de la superficie de
que se trate.

Esta ecuación, denominada “ley logarítmica del viento” o “ecuación de Prandtl”, permite obtener el perfil logarítmico de la velocidad del viento, que es bien conocido.

La ley logarítmica del viento concuerda muy bien con el perfil de la velocidad del viento en lacapa límite de superficie, siempre que se satisfaga la condición de estabilidad neutra. En los casos en quees inestable la capa límite de superficie, la cizalladura de la velocidad del viento con la altura será inferior a lo previsto conforme a la anterior ecuación y superior en condiciones estables [véase la Figura 3-1 a)].

Un caso extremo de la condición estable, que puede afectar a la totalidad de la capa de fricción,
se produce cuando la estabilidad es tan acentuada (p. ej., al formarse una intensa inversión debida a la radiación a baja altura durante la noche) que cesa la mezcla turbulenta y la transferencia de cantidad de movimiento procedente de la corriente a gran escala por encima de la inversión. Esto causa vientos en la superficie más flojos o en calma y, puesto que el viento que sopla por encima de la inversión queda efectivamente desprendido de los efectos retardadores de la fricción en la superficie, se produce un máximo de velocidad del viento por encima de la inversión (véase la Figura 3-1 b)).




En algunos casos, por ejemplo si la corriente de aire que cruza extensas llanuras ha sido desviada por una cadena de montañas, el viento máximo se concentra en una banda relativamente estrecha, parecida a una corriente en chorro. A estos vientos máximos se les suele denominar “corrientes en chorro a baja altura”. Como la velocidad máxima puede ser superior a 120 km/h (60 kt), esta descripción parece ser apropiada. Esta terminología se utilizó por primera vez para describir las máximas del viento a baja altura del tipo chorro que se encuentran frecuentemente por encima de la región llamada Great Plains y en otras regiones en los Estados Unidos, así como en los países escandinavos y a lo largo de la costa oriental de Arabia Saudita. En tales casos, la cizalladura por debajo del chorro puede ser significativa y es proporcional a la magnitud de la inversión.

Como el viento máximo suele soplar por debajo de 500 m (1 600 ft), este caso tiene un interés considerable para la aviación.

La ley logarítmica del viento no tiene únicamente interés teórico, sino que también proporciona un modelo básico de cizalladura del viento para su utilización en la homologación mediante simuladores de sistemas de aterrizaje automático, así como para la instrucción de los pilotos. Sin embargo, debe ponerse de relieve que, en todos los casos en que se utilice este modelo para simulaciones, el cambio en la cizalladura del viento con la altura será gradual y continuo; en los aterrizajes simulados contra un viento de frente en la superficie habrá siempre un viento de frente decreciente durante el descenso, mientras que en los despegues simulados contra un viento de frente en la superficie, el viento de frente aumentará siempre con la altura; por definición, no habrá nunca variación en la dirección del viento dentro de la capa. No obstante, teniendo en cuenta estas limitaciones, el modelo representa las condiciones medias más probables que el piloto puede encontrar en los niveles más bajos de la atmósfera por debajo de 100 m (330 ft). En el perfil logarítmico, la cizalladura del viento alcanza el valor máximo por debajo de 30 m (100 ft) y disminuye con la altura; la intensidad de la cizalladura puede ser superior a 10 km/h por 30 m (5 kt/100 ft) en los primeros 15 m (50 ft) y disminuir a menos de 2 km/h por 30 m (1 kt/100 ft) por encima de 100 m (330 ft). En el Capítulo 6 se examina la cuestión de la realización de modelos destinados a las simulaciones basados en cizalladuras del viento más anormales.

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