El eolometeoro de Caracas (Venezuela) del 07/05/2012:¿un mini tornado?

The aeolusmeteor in Caracas (Venezuela) of the 07/05/2012: amini tornadoes?

ELIANA PEÑA T.1,2, NELSON FALCÓN2, IÑAKI IZA3

Universidad de Carabobo. Facultad de Ingeniería. Departamento deFísica. Estudios Básicos.1 Facultad Experimental de Ciencias yTecnología. Laboratorio de Física de la Atmósfera y del EspacioUltraterrestre, Departamento de Física.2 Email: {eliana.pena,

nelsonfalconv}@gmail.com. Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (Inameh).3 Email:

iiza@inameh.gob.ve

Resumen

Los torbellinos y trombas marinas son eolometeoros vórticesatmosféricos transitorios, desde la superficie hasta las nubes.Mediante las técnicas de fotometría y modelado dinámico(teledetección) se lleva a cabo el análisis exploratorio a lasimágenes, para extraer los órdenes de magnitud de lascaracterísticas físicas del vórtice atmosférico (eolometeoro) másreciente ocurrido en Caracas (07/05/2012). Se pudo concluir quelas inestabilidades atmosféricas causadas por vaguadas de alturaincrementan el riesgo de vorticidad en la zona centro-costeracaribeñas con niveles de F1 -F2 en la escala de Fujita-Pearson.

Palabras Claves: Vórtices atmosféricos. Tornados. Teledetección.

Abstract

Tornadoes and waterspouts are transient atmospheric vortexes,from the to the clouds. Using techniques and dynamic modelingphotometry (remote sensing) an exploratory analysis is performedto the images, for extracting the orders of magnitude of theatmospheric vortex physical characteristics (aeolusmeteor)occurred in Caracasin may 07, 2012. It is being concluded thatthe instabilities caused by atmospheric troughs increases the

risk of high vorticity in the central-coastal Caribbean area withF1-F2 levels in the Fujita-Pearson scale.

Keywords: Atmospheric vortex. Tornadoes. Remote Sensing.

1. IntroducciónDe los fenómenos transitorioso de corta duración, encomparación con el ciclodiurno, destacan los vórticesatmosféricos debido almovimiento ascencional y derotación, con trayectorias decorrientes cerradas de lasmasas de aire. Los vórticesatmosféricos son eolometeorosasociados al movimientoturbulento y conectivo de lasmasas de aire y de unaocurrencia permanente en latroposfera. Ya sea a nivel desuperficie, para aire seco quese visualiza como "diablillosde arena" o remolinos depolvo, o bien para aire sincontacto con la superficie,conocidos como "térmicas" ocorrientes ascensionales. Losvórtices no siempre sonevidentes, pues se requiere dela existencia de partículasque dibujen su trayectoriapara su manifestación comometeoros. Evidencia de estoson las partículas de polvo enel aire seco (remolinos dearena de humo), y en el airehúmedo, es el agua condensadala que destaca el ducto

vorticoso en relación al airecircundante (Gayà et al 2001).

En ocasiones estos vórticesson de tal magnitud, entérminos de las velocidades derotación y de ascenso, que sumanifestación se nos antojamás extrema e infrecuente;incluso en ausencia desuperceldas de tormentas. Porlo tanto, se les conoce comoTornados no Supercelularescuando el movimiento es sobrela superficie terrestre, ycomo Trombas Marinas cuandoocurren sobre la superficiedel mar, lagos y lagunas. Sinembargo, para alcanzar lasmagnitudes extremas devorticidad que dan lugar a losTornados y las TrombasMarinas, deben existircondiciones meteorológicas deinestabilidad convectiva muyprecisas, típicas de lastormentas con nubes cúmulus ycumulonimbos (Glickman, 2000).

Los Tornados y las TrombasMarinas ocurren también enVenezuela, aun cuando suintensidad y frecuencia esmenor que en otras latitudes.

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Falcón y colaboradores hanreportado dos decenas detornados y trombas marinas enla última década, conintensidades de hasta F2 en laEscala de Fujita-Pearson (Siraet al 2011, Falcón et al 2012)y no parecen estar asociados asuperceldas de tormentas, porlo que se consideran minitornados o “trombas deTierra”; “Lanspout” en elléxico anglosajón como lomenciona Torro (2012).

El más reciente meteoroasociado a la vorticidad enVenezuela, ocurrió en la en laCiudad de Caracas el07/05/2012. Este evento fueampliamente reseñado en laprensa local, con innumerablesimágenes captadas por elpúblico, lo cual acaparó laatención mediática a la par deuna controversia sobre sunaturaleza y si podía o no sercatalogado como tornado. Elobjetivo del presente trabajoes describir tal evento y suscondiciones de ocurrencia.Para ello se describe demanera general loseolometeoros no supercelularesen la sección 2. Luego sepresenta la fotometría de loseventos, la teledetección através del Radar de Jeremba,de la Red Nacional de Radares

Meteorológicos del InstitutoNacional de Meteorología eHidrología (INAMETH,Venezuela) y las imágenes delsatélite GOES-13 (seccion3),para finalmente discutir unmodelo descriptivo del eventoparticular fundado en lavorticidad de fluidosbaroclinicosbaroclínicos(sección 4), antes depresentar las conclusiones enla última sección.

2. Formación de Tornados nosupercelulares

La ocurrencia de estoseolometeoros está asociada ala circulación cerrada defluidos atmosféricos enregiones de inestabilidadlocal, caracterizados por eldesplazamiento vertical de lasmasas de aire, en trayectoriashelicoidales ascendentes odescendente. Por lo tanto siuna superficie, suelo o agua,es calentada “violentamente”(en el sentido del surgimientode gradientes de temperatura“superadiabáticos”, vale decirmucho mayores que el gradienteadiabático seco, en lapsos detiempo pequeños comparados conel tiempo de ajuste térmico dela superficie), el aire sobrela superficie ascienderápidamente sobre las capas de

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aires más frías de laatmósfera, produciendo unacirculación vertical ocorriente convectiva.

En condiciones normales elfluido se comportabarotrópicamente, es decir,las isobaras del fluidoatmosférico coinciden con lasisoesteras o superficies deigual densidad, obteniendocorrientes convectivas de aireen dirección vertical. Sinembargo, en ocasiones un flujode viento cortante a nivel dela superficie, origina unainestabilidad trasladandoporciones de aire paralelo ala superficie, en este caso elfluido adopta un régimenllamado baroclínico, donde lasisobaras ya no son paralelas alas isoesteras, y los centrosde presión no coinciden conlos centros de gravedad delfluido en movimiento, por loque las fuerzas de presión yde gravedad no sonconcurrentes en el mismopunto, originando así untorque o torsión en elmovimiento del fluido; y lacorriente convectiva gira alpropio tiempo que asciende,generando un movimiento enespiral y un torbellino sobrela superficie. Si ademásocurre que un fuerte viento en

las capas superiores trasladalas capas de aire directamentepor encima de la columnaascendente, se alarga letrayectoria del ducto ocorriente convectiva (Doswelly Burgess,1993).

Fig. 1. Mecanismos de aumento de la vorticidad en eolometeoros.

Este alargamiento incrementael giro del torbellino, mejorconocido como vórtice, esemovimiento rotacional súbitoes causado por los gradientesde presión y temperatura; ycesa cuando el aire fríodescendente por el ductodisminuye el calor de lasuperficie que creaba lainestabilidad; en términosmacroscópico vale decir que elvórtice desaparece cuandocesan las condiciones deconvergencia de masa de airede diferentes temperaturas. Aligualarse la temperaturadisminuye el gradiente térmicoy en consecuencia seequilibran las presiones,cesando el flujo convectivoascendente, y desaparece el

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vórtice y sus manifestacionesvisibles como tornados.

2.1 Teorema de Kelvin y Vorticidad Para describir másprecisamente la formación yevolución del vórticetroposférico que originan lostornados y Trombas marinas, entérminos de la mecánica defluidos (Falcón 2011),debemos considerar lacirculación Γ en términosde la velocidad del fluido V,como:

Γ≡∮CV⃗ .dl

→

(1)

De modo que la derivadaconvectiva, o derivadamaterial, en el seno delfluido atmosférico,estratificado o no, puedeescribirse como:

DΓDt

=∮C

D V⃗Dt (2)

De la Ecuación de Navier-Stokes, en términos de lapresión P, de las fuerzas demasa K y la viscosidad η, es:

D V⃗Dt=

∇⃗ Pρ +K⃗+η∇2 V⃗+

η3

∇⃗ (∇ .V⃗ )(3)

Donde ρ representa la densidaddel fluido. Obtenemos, luegode despreciar el últimotérmino del segundo miembrorespecto a los anteriores, porser muy pequeño.

DΓDt=∫

C

∇⃗ Pρ .dl⃗+∫

CK⃗.dl⃗+η∫

C∇2 V⃗ .dl⃗

(4)

Usando el aquí el teorema deStokes y el algebracorrespondiente, obtenemos:

DΓDt=∬

A [ ∇⃗ (1ρ )×∇⃗ P ]. d A⃗

+∬A

∇׿ K⃗.d A⃗+2η∬A

∇2 ω⃗ .dA⃗¿

(5)

Donde se ha empleado ladefinición de vorticidad en elúltimo termino del segundomiembro: ω⃗≡∇×V⃗ . En el casode las trombas marinas y lostornados podemos despreciar ladifusión viscosa frente a losotros términos, se sigueentonces:

DΓDt≃∬

A [ ∇⃗ (1ρ )×∇⃗ P ]. d A⃗+∬

A∇׿ K⃗.d A⃗ ¿

(6)

Obsérvese que en el caso deque la gravedad local seauniforme (ausencia de relievesen la zona de ocurrencia delos vórtices), y como en el

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caso de Venezuela donde laaceleración de Coriolis esprácticamente nula, puedeasegurarse que el campo deFuerzas de masa K esirrotacional, con lo cual seanula el segundo término delsegundo miembro de (6), por lotanto:

DΓDt≈∬

A [∇⃗ (1ρ )×∇⃗P ]. d A⃗ (7)

De donde se obtiene que lacirculación será nula siempreque las isobaras (ortogonalesal gradiente de presión) seanparalelas a las isocoras(ortogonales al gradiente de1/ρ). Esta condición severifica en el régimenBarotrópico en el cual ladensidad del fluido es sólofunción de la presión; valedecir mientras (i) el fluidose pueda considerarincompresible, (ii) lavelocidad del aire sea muchomenor que 0,3 Mach y (iii) lascapas de aire sobre lasuperficie mantengan unrégimen isotérmico. En esascondiciones se tiene elTeorema de Kelvin:

DΓDt

=0(8)

El teorema de Kelvin afirmaque, en un fluido con régimenbarotrópico, la fuerza sobreun tubo o conducto de vórticepermanece constante. Deresultar que la secciontransversal de un tubo devórtice es ΔS, entonces (8)demanda que:

ω ΔS≃constante (9)

También si consideramos unelemento de longitud Δl deltubo vorticoso, en virtud dela conservación de la masa yde (9) se obtiene que ω ~ Δl,vale decir el estiramiento(alargamiento) del ducto deltornado (o de la tromba)conlleva a un incremento de suspin o velocidad angular degiro.Para el inicio de unadeterminada circulación Γ nonula, es decir del inicio deuna tromba Marina o de untornado es necesario, deacuerdo con (7), que el airesobre la superficie adquieraun régimen baroclínico. Bienpor la presencia de ungradiente de temperatura entreaire circundante y superficieque sea superadiabático(completamente inestable en lajerga meteorológica) y elfluido deje de ser isotérmico,la humedad relativa sea tal

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que el fluido deje deconsiderarse incompresibley/o, como pudiera ocurrir enel caso de los tornados enNorteamérica, que la velocidaddel viento sea orden de untercio del número de Mach.Evaluar en cada casoparticular cual de las trescondiciones mencionadas es lapreponderante requiere demedidas in situ muy refinadasno siempre posible paraeventos que ocurren de formainesperada en una regiónparrticular .

2.2 Eolometeoro en Caracas del07/5/2012 El 7 de Mayo del 2012 entrelas 12:00 y 12:40 HLV ocurrióun eolometeoro, en la base delas nubes cumulonimbus, entrelos sectores de La Castellanay Altamira, Municipio Chacao,de la ciudad de Caracas(Venezuela).

3.1 Fenomenología y Fotometríade los vórtices Varios videos amateursmostraron el vórtice desdediversos ángulos (Video-Hned.com 2012), cuyas escenasmás conspicuas se resumen enla figura 2.

Obsérvese el ducto en la partesuperior, en el centro dos

acercamientos del Nóduloextractor y en la parteinferior dos detalles de lacorono descendente y ltriangulación del epicentrocon google-map. Así como, loselementos morfológicos de losTornados: una coronadescendente desde la base deuna nube tipo cúmulus, unducto definido; cuya corrienteascensional es notable en losvideos (Video-Hned.com. 2012);y un nódulo extractor conamplia zona de spray.

Fig. 2. Mosaico de imágenes del Vórtice atmosférico del 7/5/2012.

A diferencia de los tornados,este vórtice presenta elnódulo extractor por encima delos 400 m respecto a lasuperficie, y el ducto ocolumna ascendente, es muyestacionario y con pocainclinación vertical (Figura3).

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Fig. 3. Vista panorámica (Izq) y detalles del ducto vorticoso del Eolometeoro.

3.2 TeledetecciónLos fenómenos de vorticidad deescala sinóptica, como losHuracanes y Tifones, puedenser detectados en las imágenessatelitales, tanto en elespectro visible como en elinfrarrojo, y la vorticidadsuelen ser detectados,mediante Radares Doppler deuso meteorológico, comoflujos convergentes de vientosalrededor de centros bajapresión. Se analizó la data dela Red Nacional de Radaresmeteorológicos (INAMETH) y lasimágenes del satélite GOES-12para analizar los vórticesatmosféricos previamentecitados.

Evento en Caracas 2012. Entrelas 1300 y 1500 HLV del7/5/2012 se presentó unainestabilidad atmosférica, connubes de gran desarrollovertical (fig. 4) y granmovilidad a nivel de

mesoescala, convergencias devientos y formación de rápidastormentas (fig. 5).

Fig. 4. Situación meteorológica del vórtice. (a) Imágenes satelitales. (b) Tormentas detectadas por el radarde Jeremba.

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Fig. 5. Movimiento de vórtices (círculos con flechas entrantes) según el radar de Jeremba.

En la figura 6 se aprecia laexistencia de varios vórticessobre la región capitaldesplazándose rápidamente.

Fig. 6. Atmosfera potencialmenteinestable el 7/5/2012 en Caracas.(a) Perfil isotermal. (b) Variaciónde la Energía potencial convectivadisponible con la altitud.

4 Análisis de resultados y discusión

Si una superficie fluida (aguao capa de aire), es calentadaviolentamente, de modo el airedirectamente sobre lasuperficie ascienderápidamente sobre las capas defluido directamente encima deellas (más frías), se producecorriente convectiva. Encondiciones normales el fluidoatmosférico se comportabarotrópicamente, es decir,las isobaras del fluidoatmosférico coinciden con lasisoesteras (superficies deigual densidad), y en ese casolas corrientes convectivas deaire se mueven en direcciónvertical. Pero en ocasiones, un granflujo de viento cortante, anivel de la superficie,ocasiona una inestabilidad,trasladando porciones de aireparalelamente a la superficie.En ese caso el fluidoatmosférico adopta el régimenllamado baroclínico, en elcual las isobaras ya no sonparalelas a las isoesteras, ylos centros de presión nocoinciden con el centro degravedad de la porción defluido en movimiento, de modoque las fuerzas de presión y

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de gravedad al no serconcurrentes en el mismopunto, ocasionan un torque otorsión en el movimiento delfluido; y la corrienteconvectiva gira al propiotiempo que asciende, generandoun movimiento en espiral, y unvórtice por arriba de lasuperficie. Si además ocurreque un fuerte viento en lascapas superiores traslada lascapas de aire directamente porencima de la columnaascendente, se alarga latrayectoria del ducto, y estealargamiento incrementa elvórtice en virtud del Teoremade Kelvin (Falcón et al 2012).

Ese movimiento rotacionalsúbito puede ser causado porlos gradientes de presión ytemperatura; y se agotacuando el aire fríodescendente, disminuye elcalor de la superficie quecrea la inestabilidad. Aligualarse la temperaturadisminuye el gradiente térmicoy en consecuencia seequilibran las presiones,cesando el flujo convectivoascendente, y desaparece elvórtice y sus manifestacionesvisibles (eolometeoros).Mientras permanezca el vórticesobre la superficie delfluido, el incremento de giro

genera una zona de bajapresión al interior del ducto,por el cual es impulsada elagua o el aire húmedo, endirección contraria a lagravedad, produciendo unacorriente ascendente degotitas que se condensan amedida que ascienden enaltitud.

La variación temporal de lacirculación (Γ) del aire,queda prescrita por la Ec. 6(véase). Obsérvese que enVenezuela la aceleración deCoriolis es prácticamentenula. Pero ello no essuficiente para asegurar queel campo de Fuerzas de masa Ksea irrotacional, Para que seaanula el segundo término delsegundo miembro de la Ec. (6)hay que imponer la condiciónde que la gravedad local seauniforme (ausencia de relievesen la zona de ocurrencia delos vórtices), situación quese verifica en el caso de lastrombas marinas, pero que nose cumple en el evento deCaracas, que ocurrió a lasfaldas del cerro GuarairaRepano (Ávila).

Por otro lado, el primertérmino del segundo miembro de(6) muestra que la circulaciónserá nula siempre que las

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isobaras (ortogonales algradiente de presión) seanparalelas a las isoesteras(ortogonales al gradiente de1/ρ) este es el régimenBarotrópico, en el cual ladensidad del fluido es solofunción de la presión; valedecir mientras el fluido sepueda considerarincompresible, la velocidaddel aire sea mucho menor que0,3 Mach y las capas de airesobre la superficie mantenganun régimen isotérmico.

Para el inicio de unadeterminada circulación Γ nonula, es decir del inicio deuna tromba Marina o de untornado es necesario que elaire sobre la superficieadquiera un régimenbaroclínico (ecuación 6). Esdecir que ocurran una o variasde las siguientes condiciones:(a) la presencia de ungradiente de temperatura entreaire circundante y superficieque sea completamenteinestable y el fluido deje deser isotérmico, (b) que lahumedad relativa sea tal queel fluido deje de considerarseincompresible, (c) que lavelocidad del viento sea ordende un tercio del numero deMach (como los tornados enNorteamérica), (d) que la

gravedad local no sea uniforme(adversión por relieve).

Usando los perfiles de radiosondeo meteorológico delevento de Caracas, aportadospor el INAMETH, podemosreconstruir las condicionesatmosféricas para eleolometeoro del 7/5/2012. Enla figura 6 (Izq) serepresenta la variación de latemperatura respecto a lapresión para 4 seriestemporales: las 6, 9, 12 y 15horas, recordando que elfenómeno se observó entre12:00 y 12:40 HLV, Obsérveseque se verifica laisotermalidad en todo el rangotemporal estudiado.

Sin embargo, la energíapotencial convectivadisponible (CAPE) presentóvalores significativos paraaltitudes por debajo de los 5km (figura 6, derecha).Indicando la inestabilidadatmosférica, al menoscondicional. De resultas quela velocidad máxima potencialde la corriente ascendente (W)puede estimarse a partir delCAPE, como indica la figura 7.

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Fig. 7. Variación vertical de lavelocidad de la corriente ascendente

Obsérvese que la velocidad dela corriente ascendente variamonótonamente con la altura,con aceleración negativa(descendente) por debajo delos 5 km, y positiva(ascendente) para alturassuperiores.

Fig. 8. (a) Velocidad y (b)dirección del viento a diferenteshoras del 7/5/2012

La velocidad y dirección delviento se muestran en la fig.8, para las series temporales

alrededor del mediodía. Nóteseque los valores son muyinferiores a 0,3 Mach (fluidoincompresible). La direccióndel viento presenta unavariación monótona con laaltitud, salvo para la serietemporal de las 12h, cambióhacia el WSW por debajo de los4 km, luego más al este a los5,1 km, y a retomar sudirección WSW por encima delos 6,6 km, confirmando lavorticidad.

Para que existan movimientosascendentes debe existir unacapa donde la advección devorticidad crezca con laaltura, típico de una vaguadaen altura. Todo parece indicarque la vorticidad suele crecera medida que aumenta la alturay de la misma forma laadvección de vorticidad seintensifica. Los máximos devorticidad en niveles bajos-medios, asociados a lavaguada, generan zonas deadvección de vorticidad en suparte delantera, que a su vezproducen movimientosascendentes acoplados. Losascensos pueden generar caídasde presión en superficie oreforzar a una bajapreexistente, donde convergenlos vientos. En niveles altosy cercanos a la tropopausa el

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aire ascendente no puedeseguir ascendiendo y diverge.Este modelo se resumenideográficamente en la figura9 (véase).

Fig. 9. Modelo descriptivo delvórtice tornadizo del eolometeorodel 7/5/2012.

5 ConclusionesCuando el entorno sinóptico esinestable la efectividad delos términos de forzamientoaumenta. Si además existecizalladura, la circulaciónforzada originará un vórticede carácter tornadizo. Lacausa de la cizalladura, puedeser diversa: la orografía y/ouna contracorriente de vientoscomo en el evento de Caracas(07/05/2012); o bien por lapresencia de un gradiente detemperatura, que sea

completamente inestable y elfluido deje de ser isotérmicocomo en el caso del evento delas trombas marinas (Sira etal., 2010).

La evolución temporal delvórtice puede favorecer, o no,al aumento de la vorticidad.Si la corriente de vientos anivel de la base de la nubecumulunimbus es tal quedesplaza horizontalmente lacorona descendente (ver fig.1)se alargara el ductovorticoso, aumentando lavorticidad como lo prescribeel Teorema de Kelvin. Deresultar que el vórticeevoluciona y ocasiona untornado sobre la superficiedel mar, como en las trombamarinas (Sira et al., 2010).

Pero si la corriente devientos en altura no essuficiente para alargar elducto vorticoso, entonces lavorticidad permaneceráconstante y desaparecerárápidamente al equilibrarse lacizalladura, vale decir elducto vorticoso permanecerávertical (fig. 3) y el vórticeno culmina en un tornado, comoocurrió en el evento deCaracas (07/05/2012).

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La vorticidad de los tornadosno supercelulares y de lastrombas marinas estárelacionada con una vaguada enaltura, la formación detornados sobre la ciudadCapital fue impedida porque lacorriente de vientos queorigina la cizalladura,ocasionó un vórtice por encimade la cota de 1400 metros enla ciudad de Caracas (verfigura 9). Si la mismasituación meteorológicatuviera lugar a nivel de lasuperficie, vale decir si lacontracorriente de vientos nofuera detenida por el cerroGuaraira Repano (Avila), lazona de spray del vórticehubiera alcanzado lasuperficie, si además elviento en la base de la nubehubiera sido al menos dosveces mayor, se habríaformando un tornado.

Cabe esperar que eventos devorticidad de caráctertornadizo puedan afectar laszonas urbanas en lasproximidades de vaguadas dealtura de Venezuela, cuando lacizalladura de vientoscortantes no esté impedida porla orografía, por ejemplo enla región más al este de laGran Caracas: Guarenas-Guatire, o sobre las regiones

de planicies o estepas,siempre que se verifiquen lascondiciones de transiciónentre los regímenes de fluidosbarotrópico y baroclínicoscomo se mostró en la Ec. (5).

Agradecimientos

Se agradece los datos delradar suministrados por elInstituto Nacional deMeteorología e Hidrología(INAMETH). Este trabajo hasido financiado por elProyecto Estratégico FONACITN° 2011-000326“Caracterización de FenómenosTransitorios en la Troposferabaja: Electrometeoros,Litometeoros, Microtornados yTrombas Marinas”.

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