presión

Ciclones y anticiclones
2016
Vientos y Presión
Los vientos (movimiento horizontal del aire) están
directamente asociados a la presión.
La presión en un punto de la atmósfera es
aproximadamente proporcional a la masa de aire que
hay por encima del nivel del punto.
La atmósfera se concentra cerca de la superficie.
La presión desciende cuando aumenta la altura, más
rápidamente en niveles bajos, y más lentamente en
alturas mayores.
Variación de la presión y la densidad con la altitud
(Esta figura es para agua; para el aire es
similar.)
Debido a la mayor altura de agua, en la salida
del tanque A la presión es mayor que en la
entrada 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 menor
presión.
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 fuerza
del gradiente horizontal de presiones (pero no es la
única)
Fuerza del gradiente horizontal de presiones
Apunta de las presiones
altas hacia las bajas,
formando un ángulo recto
con las isobaras, que son
superficies de presión
constante.
Gradiente de presión ~ (∆p / distancia)
Fuerza de gradiente horizontal de presión= - (Gradiente de presión)/ ρ
Las isóbaras más cercanas entre sí indican gradientes de presión
relativamente 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.
La presión, densidad y temperatura del aire
están vinculadas a través de la ley de los
gases ideales.
p = R T
R es la constante del gas
En el Sistema Internacional:
para el aire seco, es
R = 287 J / (ºK kg)
p se mide en Pa
ρ en kg/m3
T en ºK
ecuación de los gases ideales;
(ecuación de estado)
Se cumple con buena aproximación
en la tropósfera
La fuerza de Coriolis
Gaspard-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.
La aceleración de Coriolis se suele escribir como:
O bien:
aC = f k  U
f = 2 Ω sen ϕ
siendo:
f es el parámetro de Coriolis, siendo ϕ la latitud;
es positivo en el HN y negativo en el HS.
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)
Es una ecuación vectorial
U: velocidad (relativa a la Tierra)
Ω: velocidad angular de rotación de la Tierra
dU
dt
Aceleración (relativa a la Tierra)
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.
Vamos a considerar la proyección horizontal de esta ecuación, y vamos a
analizar las relaciones entre los distintos términos.
Balance geostrófico
Tenemos:
• 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.
Balance geostrófico
Hemisferio Norte
En el HN, el viento geostrófico
deja a la izquierda las bajas
presiones y a la derecha las altas.
Al revés en el HS.
Efecto de la aceleración
Si no despreciamos la aceleración, las trayectorias del viento no
son rectilíneas.
(No hay equilibrio entre Coriolis y el gradiente de presión.)
En esta aproximación, se tiene el viento gradiente, paralelo a las
isóbaras, y de módulo constante.
(Hemisferio
Norte)
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.
(Hemisferio Norte)
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.
Mapa de presión en superficie
El campo de presión
a un cierto nivel
ayuda a conocer el
campo
de vientos.
Ciclones alrededor de
bajas presiones y
anticiclones alrededor
de altas presiones
(en ambos
hemisferios).
(Notar que el viento
real cruza las isóbaras,
apuntando de
presiones mayores a
menores.)
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 unos
centímetros por segundo, mucho
menor que la velocidad del viento
horizontal, que es del orden de 10 m/s.
Habitualmente, el gradiente vertical
de presiones está aproximadamente
en equilibrio con la gravedad, y se
dice que el aire está en equilibrio
hidrostático:
Hemisferio Norte
p
= g
z
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.
Huracanes
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.
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