La Capa de Ekerman

Por encima de la capa límite de superficie, desde una altura aproximada de 100 m (330 ft) hasta una altura de casi 600 m (2 000 ft), el efecto de fricción en el viento disminuye rápidamente con la altura, y el gradiente horizontal de presión y las fuerzas de coriolis son cada vez más dominantes. Al igual que en el caso de la capa límite de superficie, la velocidad del viento aumenta con la altura entre 100 m (330 ft) y 600 m (2 000 ft) a medida que disminuye el efecto de fricción. Sin embargo, su dirección no permanece constante con la altura, como se había supuesto en la capa límite de superficie, sino que gira 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 teoría que permite explicar estos efectos matemáticamente fue elaborada inicialmente por Ekman y es aplicable a la capa de la atmósfera comprendida aproximadamente entre 100 m (330 ft) y 600 m (2 000 ft), capa ésta a la que se ha denominado desde entonces la capa de Ekman. Aplicada a la atmósfera, la ecuación de Ekman puede plantearse del modo siguiente:

En toda la capa de Ekman, se logra un equilibrio entre la fuerza de fricción, la fuerza del gradiente horizontal de presión y la fuerza de coriolis. En la parte inferior de la capa es igual el orden de magnitud de las tres fuerzas y se consigue la corriente equilibrada debido a que el viento sopla a través de las isobaras, hacia la más baja presión. El ángulo de esta corriente a través de las isobaras disminuye exponencialmente con la altura a medida que decrece el efecto de fricción, hasta que se alcanza un nivel en que es insignificante el efecto de fricción, donde se consigue un equilibrio entre la fuerza del gradiente horizontal de presión y la fuerza de coriolis, y donde el viento sopla a lo largo de las isobaras.
El nivel al cual el viento sopla a lo largo de las isobaras se denomina nivel del viento geostrófico o, simplemente, cima de la capa de fricción. En este nivel y por encima del mismo, los vientos calculados con arreglo a la teoría de Ekman se aproximan mucho al viento geostrófico. Según esta teoría, el ángulo de la corriente transversal a las isobaras en la capa de Ekman alcanza un máximo de 45º en la superficie o apenas por encima de ella, y decrece exponencialmente por encima de una altura aproximada de 100 m (330 ft) hasta 0º en la cima de la capa de fricción. Si los vientos calculados en la capa de Ekman se representan por una hidrográfica, los extremos de los vectores viento describen una espiral equiangular, llamada espiral de Ekman.

 

 

En la práctica, se observa que la velocidad del viento suele aumentar con la altura en la capa de Ekman. El viento sopla a determinado ángulo a través de las isobaras, que este ángulo decrece con la altura y que el viento gira en el sentido de las agujas del reloj con la altura en el hemisferio norte y en el sentido contrario en el hemisferio sur. Sin embargo, la espiral ideal que se muestra en la Figura 3-2 raramente se consigue, y fuera de las regiones ecuatoriales, donde la fuerza de coriolis es casi nula y el viento puede soplar prácticamente desde cualquier ángulo respecto a las isobaras, el viento atraviesa las isobaras a un ángulo que raramente superior a 30º. Si se combina el perfil logarítmico del viento y el perfil de Ekman, se obtiene una representación adecuada de la cizalladura del viento “normal” (es decir, no sometida a la influencia de determinados fenómenos meteorológicos que la ocasionan) entre la superficie y una altura de unos 600 m (2 000 ft).

A raíz de la reciente labor intensiva para desarrollar sistemas integrados de observación del viento en los aeródromos, tales como, el sistema meteorológico de terminal integrado (ITWS) y el sistema radar de perfil del viento, utilizado para el sistema de separación de estelas turbulentas de las aeronaves (AVOSS) de la Administración Federal de Aviación y la Administración Aeronáutica y Espacial (FAA/NASA) de los Estados Unidos, se ha compilado un considerable volumen de datos sobre perfiles del viento en la capa de Ekman y la correspondiente cizalladura del viento. Con relativa frecuencia se han observado corrientes en chorro a baja altura, con velocidades de viento superiores a 400 km/h por 30 m (20 kt por 1 000 ft) y numerosos casos en que los vientos eran superiores a 40 km/h por 600 m (20 kt por 2 000 ft) en la zona Dallas/Fort Worth (Estados Unidos).

Estos perfiles del viento tienen un interés más que teórico en los aeródromos, debido a que el control de tránsito aéreo (ATC) tiene un creciente interés en utilizar la información sobre la estructura detallada del viento hasta una altura de 600 m (2 000 ft) para aumentar la eficacia del aeródromo permitiendo que se acepte un mayor número de aeronaves. Los estudios indican que si se permite a unas pocas aeronaves adicionales aterrizar en cada hora en un aeropuerto con capacidad limitada, pueden obtenerse ventajas financieras considerables [$17 millones, empleando los datos sobre vientos en el área terminal en el Aeropuerto Dallas/Fort Worth y $27 millones en el Aeropuerto internacional John F. Kennedy (JFK) de Nueva York]. Aunque no se ha observado fuerte cizalladura del viento (o sea, de perfil no convectivo), las cizalladuras de perfil superior exigen que los pilotos vigilen atentamente sus velocidades de aproximación a fin de evitar las aproximaciones frustradas que no sean necesarias, así como los correspondientes costos.

Fly safe and enjoy!
Hasta la próxima
Paz y bien – Namasté
Roberto Gómez
rjg@flap152.com

 

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Referencias

• • • Manual sobre cizalladura del viento a poca altura OACI